(57)【要約】  本発明は熱エネルギーを貯蔵するための設備に関する。当該貯蔵は作動ガスの圧縮および膨張によって行われ、ポンプと圧縮機は例えば電気モータによって駆動され得、当該電気モータは一時的に電力網において過剰に作り出された電流を消費する。作り出された熱エネルギーは冷熱蓄熱器（１６）と温熱蓄熱器（１４）とに中間貯蔵される。本発明によれば、設備の放出を行うために、蒸気回路（４０）が前記冷熱蓄熱器（１６）と前記温熱蓄熱器（１４）とに接続され、前記蒸気回路を用いてタービン（４３）は電気エネルギーを獲得するために発電機（Ｇ）によって駆動され得る。当該回路は、設備の充填を行うための回路（図に示されていない）とは異なるラインシステム（４）を介して実現されている。従って好適に電力網における過剰生産能力から得られる熱エネルギーは、高い効率で蒸気回路を介して電気エネルギーに再変換され得る。
2014532138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを貯蔵するための設備であって、当該設備は作動ガスのための充填回路を有しており、当該充填回路において、以下のユニット、すなわち、
第一の熱的流体エネルギー機械（３４）と、
蓄熱器（１４）と、
第二の熱的流体エネルギー機械（３５）と、
が記載されている順序で前記作動ガスのための第一のライン（３１）を介して互いに接続されており、
前記第一の熱的流体エネルギー機械（３４）から前記第二の熱的流体エネルギー機械（３５）への前記作動ガスの貫流方向で見ると、前記第一の熱的流体エネルギー機械（３４）は作動機械として接続されており、前記第二の熱的流体エネルギー機械（３５）は原動機として接続されている設備において、
前記蓄熱器（１４）は第二のライン（４０）を介して作動媒体としての蒸気のための放出回路内にも接続され得、当該放出回路において以下のユニット、すなわち、
ポンプ（４４）と、
前記蓄熱器（１４）と、
原動機として接続された第三の熱的流体エネルギー機械（４３）、特に蒸気タービンと、
が記載されている順序で、前記第二のライン（３１）を介して互いに接続されていることを特徴とする設備。
【請求項２】
前記蓄熱器（１４）は前記充填回路内と前記放出回路内とで、反対方向に貫流されることを特徴とする請求項１に記載の設備。
【請求項３】
前記蓄熱器は前記第一のライン（３１）と接続された第一の導管システム（４８）と、前記第二のラインと接続された独立した第二の導管システム（４９）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の設備。
【請求項４】
前記第二の導管システム（４９）の容積に対する前記第一の導管システム（４８）の容積の比が、放出動作の間の前記第二の導管システム（４９）における比エンタルピーの増加に対する充填動作の間の前記第一の導管システム（４８）における比エンタルピーの増加の比に対して、概ね反比例していることを特徴とする請求項３に記載の設備。
【請求項５】
前記第一の導管システム（４８）と前記第二の導管システム（４９）は平行に設けられている管（２８）によって形成され、前記第一の導管システム（４８）に属する個々の管（２８ａ）が前記第二の導管システム（４９）の少なくとも一つの管（２８ｂ）に隣接して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の設備。
【請求項６】
前記第三の熱的流体エネルギー機械（４３）は少なくとも高圧タービン（４３ａ）と低圧タービン（４３ｂ）とから二段式に構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の設備。
【請求項７】
第一の閉鎖可能なバイパスライン（４６）が前記第二のライン（４０）における前記高圧タービン（４３ａ）に対して平行に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の設備。
【請求項８】
冷熱蓄熱器（１６）は前記充填回路の貫流方向で見て前記第二の熱的流体エネルギー機械（３５）の後ろで前記第一のライン（３１）に接続され得ることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の設備。
【請求項９】
前記冷熱蓄熱器（１６）は前記放出回路の貫流方向で見て、前記第三の熱的流体エネルギー機械（４３）の後ろで前記第二のライン（４０）にも接続され得ることを特徴とする請求項８に記載の設備。
【請求項１０】
付加的蓄熱器（１２）は補助ライン（３０）を介して第五の熱的流体エネルギー機械（３６）と第六の熱的流体エネルギー機械（３７）との間に接続され得、前記第五の熱的流体エネルギー機械（３６）から前記第六の熱的流体エネルギー機械（３７）への前記作動ガスの貫流方向で見て、前記第五の熱的流体エネルギー機械（３６）は作動機械として接続されており、前記第六の熱的流体エネルギー機械（３７）は原動機として接続されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の設備。
【請求項１１】
前記付加的蓄熱器（１２）は前記充填回路の貫流方向で見て、前記第一の熱的流体エネルギー機械（３４）の前で前記第一のライン（３１）にも接続され得ることを特徴とする請求項１０に記載の設備。
【請求項１２】
前記付加的蓄熱器（１２）は前記放出回路の貫流方向で見て、前記蓄熱器（１４）の前で前記第二のライン（４０）にも接続され得ることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の設備。
【請求項１３】
第二の閉鎖可能なバイパスライン（４７）が前記第二のライン（４３ａ）における前記蓄熱器（１４）に対して平行に接続されていることを特徴とする請求項６に係る請求項１２に記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱エネルギーを貯蔵するための設備に関し、当該設備は作動ガスのための充填回路を有している、すなわち、当該充填回路において作動ガスが用いられる。当該充填回路において、以下のユニットが記載されている順序で、作動ガスのための第一のラインを介して互いに接続されている。すなわち、第一の熱的流体エネルギー機械と、蓄熱器と、第二の熱的流体エネルギー機械である。第一の熱的流体エネルギー機械から第二の熱的流体エネルギー機械への作動ガスの貫流方向で見ると、第一の熱的流体エネルギー機械は作動機械として接続されており、第二の熱的流体エネルギー機械は原動機として接続されている。
【背景技術】
【０００２】
原動機と作動機械という概念は本願において以下のように用いられる。すなわち、作動機械は機械的な仕事を受容し、それによって当該作動機械の目的を果たすものである。従って作動機械として用いられる熱的流体エネルギー機械は、圧縮機またはコンプレッサとして駆動される。それに対して原動機は仕事を行い、このとき熱的流体エネルギー機械は当該仕事を行うために、作動ガスにおいて利用できる熱エネルギーを変換する。従ってこの場合、熱的流体エネルギー機械はモータとして駆動される。
【０００３】
「熱的流体エネルギー機械」という概念は、作動流体、本願との関連では作動ガスから、熱エネルギーを取り出す、または当該作動ガスに熱エネルギーを供給することができる機械に対する上位概念を形成している。熱エネルギーとは、温熱エネルギーでもあり、冷熱エネルギーでもある。熱的流体エネルギー機械（以下において短縮して流体エネルギー機械とも称される）は例えばピストン機関として実施されていてよい。好ましくは流体力学的な熱的流体エネルギー機械が用いられてもよく、当該流体力学的な熱的流体エネルギー機械のロータは、作動ガスの連続的な流れを可能にする。好適に軸方向に作用するタービンもしくは圧縮機が用いられる。
【０００４】
冒頭に記載された原理は例えば特許文献１によって説明されている。当該文献ではピストン機関が用いられ、それによって上記の方法を実施する。さらに特許文献２によれば、冒頭に記載された熱エネルギーを貯蔵するための設備を用いて、電流を製造するために風力エネルギーを利用する際、過剰生産能力が中間貯蔵され得、それにより当該過剰生産能力を必要な場合に再び取り戻すことが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２５７８６２号明細書
【特許文献２】米国特許第５４３６５０８号明細書
【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、上記の種類の（例えば機械エネルギーを熱エネルギーに変換し、続いて貯蔵するか、または当該貯蔵された熱エネルギーを機械エネルギーに変換する）熱エネルギーを貯蔵するための設備であって、用いられる構成ユニットが妥当なコストであると同時に当該設備によって高い効率が可能である設備を記載することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題は冒頭に記載された熱エネルギーを貯蔵するための設備を用いて本発明により、以下のように解決される。すなわち、上記の蓄熱器は第二のラインを介して作動媒体としての蒸気のための放出回路内にも接続され得、当該放出回路において以下のユニットが記載されている順序で、第二のラインを介して互いに接続されている。すなわち、ポンプと、蓄熱器と、原動機として接続された第三の熱的流体エネルギー機械であって、特に蒸気タービンであってよい第三の熱的流体エネルギー機械とである。ポンプは第四の熱的流体エネルギー機械として用いられるが、留意すべき点は、当該ポンプが液体水を搬送することである。当該液体水は蓄熱器において蒸発させられ、このようなやり方で蒸気タービンを駆動し得る。これにより好適に、熱エネルギーを設備に充填すること、もしくは熱エネルギーを設備から放出することが可能となる。放出回路は蒸気をガイドし、その点において従来のパワープラントで一般的な蒸気回路と相違しない。しかしながら、課題の解決は以下の点によって達成される。すなわち、このような蒸気回路が熱的貯蔵装置を介して冒頭に記載された種類の充填回路と組み合わせられ、このような方法で蒸気回路が熱的貯蔵装置のための放出回路として用いられ得ることによって解決される。放出回路において作動媒体として蒸気を用いることにより好適に、比較的高いエネルギー密度が実現され得、それゆえに比較的小さく、かつ廉価な構成要素が用いられ得る。これにより、高い効率が実現されるとともに、用いられる構成ユニットの材料コストが低減され、それによって当該構成ユニットの調達価格が低下する。
【０００８】
上記の種類の蒸気回路は通常閉じられている。その場合、閉じられた回路内の第三の熱的流体エネルギー機械とポンプとの間に、蒸気タービンを通過した後の作動媒体から熱を奪い、そのような方法で液化する凝縮器が設けられている。しかしながら基本的に回路が開放的に実施されていることも考えられる。その場合、ポンプには環境から給水が供給されなければならず、その一方で作動媒体は第三の流体エネルギー機械を通過した後、再び環境に放出される。
【０００９】
本発明の一の実施の形態では、蓄熱器は充填回路内と放出回路内とで、反対方向に貫流される。これは蓄熱器を充填回路もしくは放出回路と好適に接続することによって達成され、それは当該蓄熱器がそれぞれ第一のラインまたは第二のラインに接続されることによって行われる。蓄熱器の充填および放出の際に、貫流方向が反対であることは、充填および放出の際に、温・冷前線がそれぞれ反対方向に動くという有利点を有する。これにより、充填と放出という動作状態の間で、いつでも交互に切り替えが行われ得、蓄熱器が完全に充填または放出されていることを期待しなくてよい。
【００１０】
本発明の他の実施の形態によれば、蓄熱器は第一のラインと接続された第一の導管システムと、第二のラインと接続された独立した第二の導管システムとを有している。これは導管システムがそれぞれ、支配的な動作状態に合わせて最適に構成され得るという有利点を有している。ここで留意すべき点は、蒸気、特に水蒸気が用いられる放出回路は、好適に例えば１００ｂａｒの圧力で作動されることである。充填回路は好適に業界において通常である流体力学的圧縮機によって駆動されるべきであるが、その場合、当該充填回路は、わずか１５ｂａｒの圧力に設計されなければならないと予想される。それにより第一の導管システムの壁は第二の導管システムの壁よりも小さな壁厚で構成され得る。導管システムは好適に、蓄熱器媒体、例えばコンクリート内に平行に設けられた管によって実施される。独立した導管システムに対する代替手段は、弁の切り替えであろう。それによって蓄熱器を介して利用可能とされる単独の導管システムを、第一のラインまたは第二のラインに交互に接続する。しかしながら放出から充填へ動作を切り替える際に、導管システムの乾燥を行う必要があると予想され、それによって時間が失われる。充填回路と放出回路に対して独立した導管システムが用いられる場合、当該乾燥のステップは好適に省略され得る。
【００１１】
二つの導管システムが存在する場合、管の材料も異なるように選択され得る。壁厚を異ならせる代わりに例えば第二の導管システムに対して、比較的堅牢な材料が選択され得る。導管システムにおいて、異なる腐食条件が存在することも考慮され得る。
【００１２】
さらに、第一の導管システムと第二の導管システムがあるとき、蓄熱器の充填と放出が同時に行われることが好適に可能である。この動作状態は好適に例えば以下のような場合に利用され得る。すなわち、作り出された風力エネルギーが過剰であるため、充填動作は当面、まだ有意義であるが、例えば天気予報の分析によって、間もなく風力エネルギーが利用できなくなり、一方で電気エネルギーの需要を満たし得なくなることが見込まれる場合である。電気エネルギーが獲得され得る前に、放出回路は一定の準備運転を必要とするので、当該放出回路は、充填過程が当面はまだ継続され得ても、すでにならし運転される。その後、予想されたエネルギー不足が生じた場合、即座に蓄熱器を放出させることにより、電気エネルギーが利用に供され得る。
【００１３】
第二の導管システムの容積に対する第一の導管システムの容積の比が、放出動作の間の第二の導管システムにおける比エンタルピー増加に対する充填動作の間の第一の導管システムにおける比エンタルピー増加の比に対して、概ね反比例していると好適である。本発明に関連して「概ね」とは、反比例性において２５％まで、好適に１０％までの偏差が許容されるべきであり、それによって本発明の意味ではなおも許容比例領域内にあることを意味する。
【００１４】
本発明の特に好適な実施の形態によれば、二つの導管システムを用いる際、以下のように行われ得る。すなわち、第一の導管システムと第二の導管システムは、平行に設けられている管によって形成され、第一の導管システムに属する個々の管は、少なくとも第二の導管システムの管に隣接して設けられている。換言すれば、二つの導管システムの管は熱交換器において、第一の導管システムの管の数が比較的多いにもかかわらず、第二の導管システムの管が、常に第一の導管システムの個々の管の近傍にあるように設けられている。これにより好適に、熱交換器の充填時にも放出時にも、管の延在に対して直角に提供されている当該熱交換器の断面にわたって、当該熱交換器を均一に加熱することが確実に実現され得る。このようにして好適に、蓄熱器における貯蔵媒体の熱容量は最適に利用され得る。
【００１５】
さらに第三の熱的流体エネルギー機械が高圧タービンと低圧タービンとから二段式に構成されていると有利である。タービンに対する当該作用原理は、蒸気から機械的（電気的）エネルギーを得る際に、すでに十分知られている。その場合、蒸気は二段階に膨張され得る。これにより、蒸気から比較的大きなエネルギー容量が機械エネルギーに変換される。それにより好適に全体として設備の効率が増大する。
【００１６】
さらに、蒸気を二段式に膨張させることにより、第一の閉鎖可能なバイパスラインが第二のラインにおいて高圧タービンに対して平行に接続され得る。これによって蓄熱器に貯蔵された熱がより良く利用され得、それにより本発明に係る設備においてさらなる有利点が実現され得る。すなわち、高圧タービンの作動が満足のいく効率で可能であるのは、蓄熱器における温度が、水蒸気を過熱させ、かつ、それによって高圧タービンを作動させるために必要な圧力を構築するのに十分である場合に限る。蓄熱器における温度が低下しており、それによって当該圧力がもはや構築され得なくても、当該温度は低圧タービンを作動させるにはまだ十分である。当該作動状態において効率を向上させるために、バイパスラインが開放され得、それによって高圧タービンは迂回される。これにより、熱交換器は機械エネルギーを獲得する効率が依然として満足のいく状態で、さらに放出され得る。
【００１７】
本発明の特別な実施の形態は、冷熱蓄熱器が充填回路の貫流方向で見て第二の熱的流体エネルギー機械の後ろで第一のラインに接続され得ることを提供している。このとき考慮すべき点は、作動ガスが第二の流体エネルギー機械を出た後、凝固点をはるかに下回る温度を有していることである。これにより、冷熱エネルギーが使用に供され、当該冷熱エネルギーは本発明によれば冷熱蓄熱器に貯蔵される。冷熱蓄熱器において冷熱エネルギーは例えば冷凍倉庫の運転のために用いられ得、それによって、それ以外の場合に冷凍倉庫を冷却することによって累積するエネルギー消費が節約され得る。これは全体として設備の収支を改善する。他の可能性は、冷熱蓄熱器が放出回路の貫流方向で見て同様に、第三の熱的流体エネルギー機械の後ろで第二のラインに接続され得ることである。すでに述べたように、これは充填回路から独立した導管システムを介して冷熱蓄熱器において行われる。その場合、冷熱蓄熱器は蒸気の凝縮に役立ち、蒸気の凝縮に際して非常に有効に作動する。特に、蒸気／液状作動媒体の流路距離が通常の凝縮器に比べて短縮され得る。比較的高い温度勾配が使用に供されるためである。これに関連して（凝縮器として用いられる）冷熱蓄熱器において、流れ抵抗が比較的小さいことは、設備の全体効率を向上させる。
【００１８】
温熱蓄熱器と冷熱蓄熱器の充填の際に、第一の流体エネルギー機械の前で付加的蓄熱器が作動ガスによって貫流されると好適である。すなわち、作動ガスは付加的蓄熱器を介して加熱されて、第一の流体エネルギー機械内に供給される。付加的蓄熱器の使用には以下のような有利点がある。すなわち、熱エネルギーを貯蔵するための設備が用いられるとき付加的蓄熱器は、この場合、作動機械（圧縮機）として作動する第一／第三の流体エネルギー機械を通過する前に、貫流される。これにより作動ガスはすでに環境温度を上回るように加熱される。これは作動機械が、作動ガスに必要とされる温度を達成するために、比較的小さな出力を受容すればよいという有利点を有する。具体的に蓄熱器は５００℃を上回るように加熱されるべきであり、当該加熱は好適に、作動ガスの予熱に続いて、作動ガスを１５ｂａｒに圧縮できる市販の熱力学的圧縮機を用いても行われ得る。従って好適に、設備の構成ユニットに対して、コストの嵩む変更を行うことなく市場において入手できる構成要素が用いられ得る。作動ガスは付加的蓄熱器において好適に、６０℃と１００℃の間の温度、特に好適に８０℃の温度に加熱され得る。すでに述べたように作動ガスは、温熱蓄熱器と冷熱蓄熱器の充填回路において１５ｂａｒに圧縮され得、それにより５５０℃までの作動ガスの温度が達成される。
【００１９】
本発明の特に好適な実施の形態によれば、付加的蓄熱器が放出回路の貫流方向で見て同様に蓄熱器の前で、第二のラインに接続され得ることも提供される。これにより、水もしくは蒸気が付加的蓄熱器においてすでに予熱され、それにより比較的熱い蓄熱器に貯蔵されている熱が、蒸気を過熱することに対して比較的長く利用されることが確保され得る。従って設備は好適に、最適な効率のために必要とされる圧力および必要とされる温度において、できるだけ長く作動され得る。
【００２０】
第二の閉鎖可能なバイパスラインが第二のラインにおいて、蓄熱器に対して平行に接続されていると特に好適である。これにより、蓄熱器が十分に充填されていない作動状態において、付加的蓄熱器のみを用いることが可能となる。この場合、付加的蓄熱器における温度は、二段式に形成されている第三の流体エネルギー機械の低圧タービンのみを作動させるとともに、このような方法で機械的出力を満足のゆく効率で放出するのに十分である。
【００２１】
付加的蓄熱器は代替的に外部の温熱源および冷熱源から熱を供給されてもよい。このとき例えば発電所からの地域熱が提供される。しかしながら付加的蓄熱器がヒートポンププロセスによっても充填されると、特に好適である。そのために付加的蓄熱器は好適に補助ラインを介して第五の熱的流体エネルギー機械と第六の熱的流体エネルギー機械との間に接続され得、このとき第五の熱的流体エネルギー機械から第六の熱的流体エネルギー機械への作動ガスの貫流方向で見て、第五の熱的流体エネルギー機械は作動機械として接続されており、第六の熱的流体エネルギー機械は原動機として接続されている。これにより好適に付加的蓄熱器の充填のために別箇のヒートポンプ回路（補助回路）が利用に供され、第五の流体エネルギー機械と第六の流体エネルギー機械は付加的蓄熱器において作り出される温度に対して最適化され得る。付加的蓄熱器は当然ながら、ラインもしくはバイパスラインを介して好適な接続が可能にされれば、第一の流体エネルギー機械によって、あるいは第三の流体エネルギー機械によって充填され得る。このとき考慮すべき点は常に、個々のプロセスのための効率の増大に対して、構成要素にかかるコストである。当該考慮においては経済的な考察が優先される。
【００２２】
作動ガスは閉鎖された充填回路または補助回路、あるいは開放された充填回路または補助回路に選択的に導入され得る。開放型回路は作動ガスとして常に環境空気を用いる。当該環境空気は環境から吸引され、プロセスの終わりに再び環境内に放出され、それによって環境は開放型回路を閉じている。閉鎖型回路は環境空気以外の作動ガスを用いることも許容する。当該作動ガスは閉鎖型回路においてガイドされる。環境圧力と環境温度を調整すると同時に環境に向かって膨張させることが行われないために、閉鎖型回路の場合、作動ガスは熱交換器を介して導入されなければならない。当該熱交換器は作動ガスの熱を環境に放出させる。
【００２３】
例えば、冷熱蓄熱器および／または温熱蓄熱器において熱エネルギーを貯蔵するための充填回路が開放型回路として形成されており、当該充填回路において原動機として作動する第二の熱的流体エネルギー機械は二つの段から構成されており、当該段の間に作動ガスのための水分離機が設けられているものが提供され得る。このとき環境空気に空気中の湿度が含まれているという状況が考慮される。作動ガスを単独の段において膨張させることにより、以下のような結果が生じ得る。すなわち、作動ガスを例えば−１００℃に強力に冷却するため、空気中の湿度が凝縮され、このとき熱的流体エネルギー機械が破損される。特にタービン翼は着氷によって持続的な損傷を蒙り得る。しかしながら作動ガスが二段階において膨張することにより、凝縮水を第一の段の後ろの水分離機において例えば５℃で分離することが可能となり、それによって当該凝縮水は第二のタービン段において作動ガスをさらに冷却するとき、すでに除去されており、氷の形成は防止されるか、あるいは少なくとも低減され得る。好適に第二の流体エネルギー機械が破損する危険はこれにより低減される。
【００２４】
閉鎖型回路が用いられる場合、作動ガスを環境温度に加熱するために、熱交換器は第一の流体エネルギー機械もしくは第三の流体エネルギー機械の前において、付加的蓄熱器を用いる場合は当該付加的蓄熱器の前において、回路に組み込まれなければならない。そうすれば、水分離機の使用と、原動機としての二段式流体エネルギー機械の使用は省略されてよい。この場合、作動ガスとして例えば除湿された環境空気も用いられ得る。当該環境空気が加湿されることは、回路の閉鎖性によって除外されている。しかしながら他の作動ガスも用いられ得る。
【００２５】
以下において本発明のさらなる詳細を図面に基づいて説明する。このとき同一の、あるいは互いに一致する図面の要素にはそれぞれ、同一の参照番号が付されており、個々の図面同士の間に相違点がある場合に限って、複数回説明される。図面に示されるのは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る設備の実施の形態を充填（図１）および放出（図２）の作動状態においてそれぞれブロック図として示す図である。
【図２】本発明に係る設備の実施の形態を充填（図１）および放出（図２）の作動状態においてそれぞれブロック図として示す図である。
【図３】蓄熱器において進んだ距離ｘに応じた蓄熱器１４における蒸気の温度の推移Ｔをグラフで示す図である。
【図４】温熱蓄熱器、付加的蓄熱器、および冷熱蓄熱器における管の配置の可能性を断面で概略的に示す図である。
【図５】温熱蓄熱器、付加的蓄熱器、および冷熱蓄熱器における管の配置の可能性を断面で概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１および図２に示す設備に基づいて熱的貯蔵装置１２，１４，１６の熱的充填プロセスおよび熱的放出プロセスをより詳しく説明するものとする。図１においてまず、二段式の充填プロセスが示されており、当該二段式の充填プロセスはヒートポンプの原理で作用する。図に示されているのは開放型の充填回路であるが、当該開放型の充填回路は一点鎖線で暗示されているように、任意選択的に設けられる熱交換器１７ｂを用いる場合には閉鎖され得る。図２および図３に示す実施の形態においては空気から成る作動ガスにおける状態は、ライン３０，３１，３２においてそれぞれ円内に示されている。左上には圧力がｂａｒで記載されている。右上にはエンタルピーがＫＪ／Ｋｇで記載されている。左下には温度が℃で示され、右下には質量流量がＫｇ／ｓで記載されている。ガスの流れ方向は該当するラインにおいて矢印によって暗示されている。（これらの円は図２においても用いられる。）
【００２８】
図１に示す第一のライン３１の充填回路のためのモデル計算において、作動ガスは１ｂａｒと２０℃で（前もって充填された）付加的蓄熱器１２内に到達し、当該付加的蓄熱器を８０℃の温度で出る。圧縮機として作動する第一の流体エネルギー機械３４を用いて圧縮することにより、圧力は１５ｂａｒに増大し、その結果として温度は５４０℃に増大する。この計算は以下の式に基づく。
Ｔ２＝Ｔ１＋（Ｔ２ｓ−Ｔ１）／ηＣ；Ｔ２ｓ＝Ｔ１Π（Ｋ−１）／Ｋ
【００２９】
上記の式において、
Ｔ２は圧縮機出口における温度、
Ｔ１は圧縮機入口における温度、
ηＣは圧縮機の等エントロピー効率、
Πは圧力比（ここでは１５：１）、
Ｋは圧縮率であり、当該圧縮率は空気の場合１．４である。
【００３０】
等エントロピー効率ηＣは圧縮機に対して０．８５と想定され得る。
【００３１】
加熱された作動ガスはこうして蓄熱器１４を貫流し、当該蓄熱器において利用可能な熱エネルギーの主たる部分は貯蔵される。当該貯蔵の間に作動ガスは２０℃に冷却される一方、圧力は１５ｂａｒに保たれたままである。続いて作動ガスは第二の流体エネルギー機械３５の直列式に接続された二つの段３５ａ，３５ｂにおいて膨張させられ、それによって作動ガスは圧力レベルが１ｂａｒになる。このとき作動ガスは第一の段の後に５℃に冷却され、第二の段の後に−１００℃に冷却される。この計算の基礎となるのも上記の式である。
【００３２】
高圧タービンおよび低圧タービンとしての第四の流体エネルギー機械の二つの段３５ａ，３５ｂを接続するライン３１の部分に、付加的に水分離機２９が設けられている。当該水分離機は第一の膨張の後、空気の乾燥を可能にし、それによって当該空気に含まれる水分は第四の流体エネルギー機械３５の第二の段３５ｂにおいて、タービン翼の着氷を生じさせない。
【００３３】
さらなる過程において、膨張され、従って冷却された作動ガスは、冷熱蓄熱器１６から熱を奪い、それによって０℃に加熱される。このようにして冷熱エネルギーは冷熱蓄熱器１６に貯蔵され、当該冷熱エネルギーはこれに続くエネルギー獲得の際に利用され得る。冷熱蓄熱器１６の出口における作動ガスの温度と、付加的蓄熱器１２の入り口における作動ガスの温度を比較すると、閉鎖型充填回路の場合にはなぜ熱交換器１７ｂが利用に供されなければならないかが明らかとなる。ここで作動ガスは再び２０℃の環境温度に加熱され得、それによって環境から熱が奪われ、当該熱はプロセスに対して提供される。作動ガスが環境から直接的に吸引される場合、このような手段は当然省略され得る。作動ガスはすでに環境温度を有しているからである。
【００３４】
第一のライン３１の充填回路を通過する際に、付加的蓄熱器１２によって予熱が行われ得るように、補助ライン３０によって補助回路が実現されており、当該補助回路を用いて付加的蓄熱器１２が充填され得る。付加的蓄熱器１２は従って、第一のライン３１の充填回路にも、補助ライン３０の補助回路にも接続され得なければならない。第一のライン３１への接続は弁Ａによって行われ、補助ライン３０への接続は、弁Ｂを開放することによって確保される。補助ライン３０を通過する際、空気はまず圧縮機として作動する第五の流体エネルギー機械３６を通過するようにガイドされる。圧縮された空気は付加的蓄熱器１２を通過するようにガイドされ、貫流方向は暗示されている矢印が示す通り、第一のライン３１によって形成される充填回路に対してちょうど反対になっている。周囲圧力（１ｂａｒ）と環境温度（２０℃）の空気が圧縮機によって４ｂａｒと１８８℃の温度にされた後、当該空気は付加的蓄熱器１２によって再び２０℃に冷却される。続いて当該空気は、タービンとして動作する第六の流体エネルギー機械３７の段３７ａ，３７ｂを介して、二段階で膨張させられる。ここでも二つの段３７ａ，３７ｂを接続する補助ライン３０において、水分離機２９が設けられており、当該水分離機は第二のライン３１に設けられているものと全く同じように機能する。第六の流体エネルギー機械３７を介して空気が膨張させられた後、当該空気は周囲圧力（１ｂａｒ）で−５６℃の温度を有している。従って、一点鎖線で示されているように、補助ライン３０の補助回路が閉鎖型に実施されている必要がある場合には、熱交換器１７ｃが設けられなければならない。それによって空気は−５６℃から、周囲に熱を放出することによって、２０℃に加熱され得る。
【００３５】
第二のライン３１と補助ライン３０の回路は互いに独立して運転される。従って第三の流体エネルギー機械と第四の流体エネルギー機械とは軸２１を介してモータＭ１によって機械的に連結されており、第五の流体エネルギー機械と第六の流体エネルギー機械とは他の軸２１を介してモータＭ２によって機械的に連結されている。風力発電所２２が過剰生産能力を有しているとき、電気エネルギーはまずモータＭ２を駆動し、それによって付加的蓄熱器１２を充填する。続いてモータＭ１を駆動すると同時に付加的蓄熱器１２を放出させることにより、温熱蓄熱器１４と冷熱蓄熱器１６とが充填され得る。続いてモータＭ２を駆動することにより、付加的蓄熱器１２も再び充填され得る。全ての貯蔵装置が完全に充填されているとき、電気エネルギーを獲得するための有効な放出サイクルが開始され得る（図２参照）。しかしながら付加的蓄熱器１２が充填され得ることなく、風力発電所２２の過剰生産能力が終結した場合には、当該付加的蓄熱器内で利用に供されたエネルギーは他の熱源４１によっても代替され得、あるいは蓄熱器１４のみが用いられる（図２参照）。
【００３６】
第一のライン３１と補助ライン３０のための別個のラインシステムによって供給が行われ得る付加的蓄熱器１２も想定可能である。これにより、弁ＩおよびＫが用いられることなく、二つの独立した回路が成立すると想定される。当該方法により、付加的蓄熱器１２は同時に充填と放出が行われ得るものと想定される。従ってこの場合、モータＭ１，Ｍ２を同時に駆動することも想定可能である。当該作動体制は二つの有利点を有している。一つは、風力発電所２２の比較的大きな過剰生産能力も、モータＭ１，Ｍ２を同時に駆動することにより、全負荷で捕捉され得ることであり、これによってシステムの適応性が比較的大きくなる。また、二つのモータを同時に駆動することにより、３個の熱的貯蔵装置１２，１４，１６が常に同時に充填され、逐次的に充填されないことが確保されるであろう。これにより、配電網に過剰生産能力がなくなってしまい、その代わりに付加的な電気エネルギーに対する需要が生じている場合、放出工程の実施可能性が完全である状態で、充填工程はいつでも停止され得る。
【００３７】
図２によれば設備は放出回路によって作動され、当該放出回路は第二のライン４０によって実現されている。ライン４０は閉鎖された回路を表している。水は付加的蓄熱器１２と、蓄熱器１４と、任意選択的にさらなる熱源４１、例えば地域熱とによって、熱交換器４２を介して蒸発させられ、過熱され、そのような状態でライン４０を介して（弁ＣおよびＤは閉鎖されている）第三の流体エネルギー機械４３に到達する。当該第三の流体エネルギー機械は二段式に構成されており、連続的に貫流される高圧タービン４３ａと低圧タービン４３ｂとから成っている。流体エネルギー機械４３はさらなる軸２１を介して発電機Ｇを駆動する。すなわち当該発電機は必要な場合に電流を生じさせ、他方で熱的貯蔵装置１２，１４，１６は放出される。
【００３８】
蒸気は低圧タービン４３ｂを出て、ライン４０を経て開放された弁Ｅを介して冷熱蓄熱器１６を通過するようにガイドされ、当該冷熱蓄熱器はこれにより放出される。このとき蒸気は凝縮し、ポンプ４４（第四の流体エネルギー機械）のライン４０を介して再び蓄熱器に供給され、それにより回路は閉じられる。冷熱蓄熱器１６が空になっている場合、代替的に熱交換器が凝縮器４５として利用される。当該凝縮器は一般に普及している作用原理に従って作動し得る。凝縮器４５を作動させるためには、弁Ｅが閉鎖され、弁Ｆが開放される。
【００３９】
特定の作動状態において、弁ＣおよびＤを作動させることにより、設備の効率が改善され得る。弁Ｄは第一のバイパスライン４６内に設けられており、弁Ｄが開放されているとき、高圧タービン４３ａは当該第一のバイパスラインによって迂回され得る。当該作動状態は、蓄熱器１４における温度が、水蒸気を過熱させることによってライン４０における圧力を要求される大きさにするために十分でなくなった場合、有意義である。蓄熱器１４が部分的に放出されること、もしくはまだ十分に充填されないことによって、当該状況が生じ得る。（この点に関しては以下により多く記載される。図３参照。）
【００４０】
最も極端な場合、付加的蓄熱器１２がすでに充填されている一方で、蓄熱器１４は完全に空になっている。当該状態は例えば以下のような場合に生じる。すなわち、付加的エネルギーが風力発電所２２により利用可能となったのはほんの少し前であるのに、電気エネルギーの過剰需要を満たす必要が生じている場合である。この場合、弁Ｄに対して付加的に、第二のバイパスライン４７の弁Ｃも切り替えられ得る。この場合、蓄熱器１４はバイパスライン４７によって迂回され、それによって付加的蓄熱器１２は低圧タービン４３ｂを介して空にされ得る。従って設備において、熱エネルギーがすでに利用可能となっており、当該熱エネルギーは発電機Ｇによって、満足のゆく効率で電気エネルギーに変換され得る。この場合、冷熱蓄熱器１６もまだ充填されていない。当該冷熱蓄熱器は蓄熱器１４とともに充填されるからである。従ってこの作動状態に対しては、弁Ｆを介して凝縮器４５が接続される。
【００４１】
図３を理解するために図２にはいくつかの物理値が書き込まれている。高圧タービンには圧力Ｐｈの蒸気が供給される。低圧タービン４３ｂへの供給を行うには、Ｐｌという比較的小さい圧力の蒸気で十分である。当該圧力は接続ライン４０において高圧タービン４３ａと低圧タービン４３ｂとの間に存在し、あるいは一定の作動状態では弁Ｄを開放した後、バイパスライン４６においても存在する。さらに蓄熱器１４は長さｌを有しており、当該長さは加熱すべき蒸気によって、長手方向に制御変数ｘに応じて通過されなければならない。
【００４２】
図３において当該制御変数ｘはｘ軸に示されている。蓄熱器１４を当該蓄熱器の長さｌにわたって通過する際の温度領域が示されており、それによってｙ軸は蒸気の温度Ｔを表示している。温度ｔｉｎが認められるが、当該温度で水は蓄熱器に入る。高圧タービン４３ａを駆動するためには温度ｔｏｕｔ（ｐｈ）が要求され、当該温度は必要とされる蒸気パラメータを作り出すのに十分である。Ｔｓ（ｐｈ）は、水が沸騰するとともに蒸発する温度を示しており、当該温度は水が完全に蒸発されるまで保持される。これは曲線ａの水平な部分によって明らかである。全ての水が蒸発した状態になると、蓄熱器１４における温度が比較的高いために発生させられた蒸気の過熱が生じ、それによって必要とされる蒸気パラメータがライン４０において達成される。曲線ａに基づいて認識されるように、蓄熱器が完全に充填されると、当該必要とされる温度は長さｌのおよそ２／３の後ですでに達成され、その後は蒸気のさらなる過熱は不可能であるため、当該温度は一定に保たれる。
【００４３】
曲線ｂは蓄熱器１４における冷・温前線がすでにｘ１まで移動しているときに達成される状態を示している。（これは蓄熱器１４の放出が進んだ場合に生じる。）この場合、水はｘ１まで温度Ｔｉｎのままであり、残りの距離１−ｘ１は要求された温度ｔｏｕｔ（ｐｈ）を達成するのにちょうど足りる。
【００４４】
高圧タービン４３ａに対してさらに蒸気が供給された場合、当該蒸気は曲線ｃおよび点線で示されている曲線ｄに対応して、なおも蒸発するであろうが、もはや過熱はされ得ない。蒸気はそれ以前にすでに蓄熱器１４の端部に到達するｘ＝ｌことにより、それ以上加熱され得ないだろうという理由による。しかしながら、弁Ｄを開放することによって、およびそれとともに高圧タービン４３ａを迂回することによって、蒸気は直接的に低圧タービン４３ｂ内に供給される。これによりバイパスライン４６における圧力が低下し、必要とされる温度ｔｏｕｔ（ｐｌ）も低下する。そのため温度曲線は曲線ｃおよびｅの経路を取る。すなわち、水はすでにＴｓ（ｐｌ）において蒸発するとともに、必要とされる温度ｔｏｕｔ（ｐｌ）は蓄熱器１４の内部でまだ間に合うように達成される。
【００４５】
図１と図２において、設備における温熱蓄熱器１４と冷熱蓄熱器１６と付加的蓄熱器の構成はそれぞれ等しく、図１における冷熱蓄熱器１６に基づく部分拡大図によってより詳しく説明される。容器が設けられており、当該容器の壁２４には大きな孔２６を有する絶縁材料２５が設けられている。容器の内部にはコンクリート２７が設けられており、当該コンクリートは温熱蓄熱器または冷熱蓄熱器として機能する。コンクリート２７内部には管２８が平行に延在するように敷設されており、当該管を介して作動ガスが流れ、その際（それぞれ作動態様と貯蔵態様に応じて）熱を放出するか、あるいは熱を受容する。
【００４６】
図４および図５ではそれぞれ、温熱蓄熱器１４と冷熱蓄熱器１６と付加的蓄熱器１２の断面の細部が示されており、当該細部において管２８が断面において認められる。薄壁の管２８ａと厚壁の管２８ｂとが認められる。薄壁の管２８ａは第一の導管システム４８を形成し、厚壁の管２８ｂは第二の導管システム４９を形成している。蓄熱器媒体２７は見やすくするために示されていない。さらに補助線５０が書き込まれており、当該補助線は対応する貯蔵装置の現実の構造を表示しておらず、幾何学的な構成を明らかにするためだけに用いられている。
【００４７】
第一の導管システム４８を形成している薄壁の管２８ａは、第一のラインシステム３１もしくは補助ラインシステム３０に接続されている。当該第一のラインシステムもしくは補助ラインシステムでは比較的小さな圧力が支配的であり、それによって管２８ａの壁が比較的薄いことが説明される。厚壁の管２８ｂによって形成される第二の導管システム４９は、第二のラインシステム４０に接続されている。当該管は比較的大きな蒸気圧力に耐えねばならず、それゆえ比較的厚い壁を有して実施されている。厚壁の管２８よりも薄壁の管２８が多く設けられていることが認められる。これにより、導管システム４８は導管システム４９よりも大きな断面を有している。補助線によって認められる通り、図４によれば管の構成において薄壁の管２８ａに対する厚壁の管２８ｂの比率は１：６（図４において）もしくは１：５（図５において）である。しかしながら補助線５０によって暗示される基本セルから、個々の薄壁の管２８ａには少なくとも一つの厚壁の管２８ｂが隣接していることが読み取れる。これにより管の規則的なパターンが生じ、当該規則的なパターンは全体として蓄熱器の均一な加熱を生じさせる。
【符号の説明】
【００４８】
１２  付加的蓄熱器、１４  温熱蓄熱器、１６  冷熱蓄熱器、１７ｂ，１７ｃ  熱交換器、２１  軸、２２  風力発電所、２４  容器、２５  絶縁材料、２６  孔、２７  コンクリート、２８ａ  薄壁の管、２８ｂ  厚壁の管、２９  水分離機、３０  補助ライン、３１  第一のライン、３２  ライン、３５ａ  流体エネルギー機械の第一の段、３５ｂ  流体エネルギー機械の第二の段、３６  第五の流体エネルギー機械、３７ａ  第六の流体エネルギー機械の第一の段、３７ｂ  第六の流体エネルギー機械の第二の段、Ｍ１，Ｍ２  モータ、４０  第二のライン、４１  熱源、４２  熱交換器、４３ａ  高圧タービン、４３ｂ  低圧タービン、４４  ポンプ、４５  凝縮器、４６  第一のバイパスライン、４７  第二のバイパスライン、Ｔ  温度、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ  曲線、ｌ  蓄熱器の長さ、ｘ  蓄熱器において進んだ距離、Ｔｉｎ  水が蓄熱器に入る温度、Ｔｏｕｔ（ｐｈ）  高圧タービンを駆動するための温度、Ｔｏｕｔ（ｐｌ）  低圧タービンを駆動するための温度、Ｔｓ（ｐｈ）  高圧タービンにおいて水が沸騰するとともに蒸発する温度、Ｔｓ（ｐｌ）  低圧タービンにおいて水が沸騰するとともに蒸発する温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月19日(2014.5.19)
【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】
熱エネルギーを貯蔵するための設備であって、当該設備は作動ガスのための充填回路を有しており、当該充填回路において、以下のユニット、すなわち、
第一の熱的流体エネルギー機械（３４）と、
蓄熱器（１４）と、
第二の熱的流体エネルギー機械（３５）と、
が記載されている順序で前記作動ガスのための第一のライン（３１）を介して互いに接続されており、
前記第一の熱的流体エネルギー機械（３４）から前記第二の熱的流体エネルギー機械（３５）への前記作動ガスの貫流方向で見ると、前記第一の熱的流体エネルギー機械（３４）は作動機械として接続されており、前記第二の熱的流体エネルギー機械（３５）は原動機として接続されている設備において、
前記蓄熱器（１４）は第二のライン（４０）を介して作動媒体としての蒸気のための放出回路内にも接続されることができ、当該放出回路において以下のユニット、すなわち、
ポンプ（４４）と、
前記蓄熱器（１４）と、
原動機として接続された第三の熱的流体エネルギー機械（４３）と、
が記載されている順序で、前記第二のライン（３１）を介して互いに接続されていることを特徴とする設備。
【請求項２】
前記蓄熱器（１４）は前記充填回路内と前記放出回路内とで、反対方向に貫流されることを特徴とする請求項１に記載の設備。
【請求項３】
前記蓄熱器は前記第一のライン（３１）と接続された第一の導管システム（４８）と、前記第二のラインと接続された独立した第二の導管システム（４９）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の設備。
【請求項４】
前記第二の導管システム（４９）の容積に対する前記第一の導管システム（４８）の容積の比が、放出動作の間の前記第二の導管システム（４９）における比エンタルピーの増加に対する充填動作の間の前記第一の導管システム（４８）における比エンタルピーの増加の比に対して、反比例していることを特徴とする請求項３に記載の設備。
【請求項５】
前記第一の導管システム（４８）と前記第二の導管システム（４９）は平行に設けられている管（２８）によって形成され、前記第一の導管システム（４８）に属する個々の管（２８ａ）が前記第二の導管システム（４９）の少なくとも一つの管（２８ｂ）に隣接して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の設備。
【請求項６】
前記第三の熱的流体エネルギー機械（４３）は少なくとも高圧タービン（４３ａ）と低圧タービン（４３ｂ）とから二段式に構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の設備。
【請求項７】
第一の閉鎖可能なバイパスライン（４６）が前記第二のライン（４０）における前記高圧タービン（４３ａ）に対して平行に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の設備。
【請求項８】
冷熱蓄熱器（１６）は前記充填回路の貫流方向で見て前記第二の熱的流体エネルギー機械（３５）の後ろで前記第一のライン（３１）に接続されることができることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の設備。
【請求項９】
前記冷熱蓄熱器（１６）は前記放出回路の貫流方向で見て、前記第三の熱的流体エネルギー機械（４３）の後ろで前記第二のライン（４０）にも接続されることができることを特徴とする請求項８に記載の設備。
【請求項１０】
付加的蓄熱器（１２）は補助ライン（３０）を介して第五の熱的流体エネルギー機械（３６）と第六の熱的流体エネルギー機械（３７）との間に接続されることができ、前記第五の熱的流体エネルギー機械（３６）から前記第六の熱的流体エネルギー機械（３７）への前記作動ガスの貫流方向で見て、前記第五の熱的流体エネルギー機械（３６）は作動機械として接続されており、前記第六の熱的流体エネルギー機械（３７）は原動機として接続されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の設備。
【請求項１１】
前記付加的蓄熱器（１２）は前記充填回路の貫流方向で見て、前記第一の熱的流体エネルギー機械（３４）の前で前記第一のライン（３１）にも接続されることができることを特徴とする請求項１０に記載の設備。
【請求項１２】
前記付加的蓄熱器（１２）は前記放出回路の貫流方向で見て、前記蓄熱器（１４）の前で前記第二のライン（４０）にも接続されることができることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の設備。
【請求項１３】
第二の閉鎖可能なバイパスライン（４７）が前記第二のライン（４３ａ）における前記蓄熱器（１４）に対して平行に接続されていることを特徴とする請求項６に係る請求項１２に記載の設備。
【国際調査報告】
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