(57)【要約】  本発明は、電気エネルギーを生成するため、および極低温で液化された気体を気化させるための装置（１）であって、前記極低温で液化された気体のための管路（２）と、当該管路（２）内に設けられたポンプ（３）と、熱エンジン（４）と、当該熱エンジン（４）の下流に設けられた排熱利用システム（５）とを含む装置に関し、分岐管路（１８）が前記管路（２）から分岐し、当該分岐管路（１８）は前記熱エンジン（４）内に出口を有し、前記装置（１）はさらに流体サイクル（６）を含み、当該流体サイクル（６）内で流体の流れ方向において、以下の構成要素、すなわち‐第一の熱交換器（７）であって、前記極低温で液化された気体の流れ方向において、前記ポンプ（３）の後段で付加的に前記管路（２）内に接続されている第一の熱交換器と、‐圧縮機（８）と、‐第二の熱交換器（９）と、‐互いに平行な、第一の側（１１）を備える第三の熱交換器（１０）および前記排熱利用システム（５）と、‐発電機（１４）が連結された膨張機（１３）と、‐第二の側（１２）を備える前記第三の熱交換器（１０）と、が連続的に設けられている。本発明はまた、電気エネルギーを生成するため、および極低温で液化された気体を気化させるための対応する方法に関する。
2021509940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを生成するため、および極低温で液化された気体を気化させるための装置（１）であって、前記極低温で液化された気体のための管路（２）と、当該管路（２）内に設けられたポンプ（３）と、熱エンジン（４）と、当該熱エンジン（４）の下流に設けられた排熱利用システム（５）とを含む装置において、
分岐管路（１８）が前記管路（２）から分岐し、当該分岐管路（１８）は前記熱エンジン（４）内に出口を有し、前記装置（１）はさらに流体サイクル（６）を含み、当該流体サイクル（６）内で流体の流れ方向において、以下の構成要素、すなわち
‐第一の熱交換器（７）であって、前記極低温で液化された気体の流れ方向において、前記ポンプ（３）の後段で付加的に前記管路（２）内に接続されている第一の熱交換器と、
‐圧縮機（８）と、
‐第二の熱交換器（９）と、
‐互いに平行な、第一の側（１１）を備える第三の熱交換器（１０）および前記排熱利用システム（５）と、
‐発電機（１４）が連結された膨張機（１３）と、
‐第二の側（１２）を備える前記第三の熱交換器（１０）と、が
連続的に設けられていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第三の熱交換器（１０）の前記第一の側（１１）に対して平行であるとともに、流体の流れ方向において前記排熱利用システム（５）の前に、第一の側（１６）を備える第四の熱交換器（１５）が前記流体サイクル（６）内に設けられており、当該第四の熱交換器（１５）は、第二の側（１７）が、前記流体サイクル（６）内で流体の流れ方向において前記第三の熱交換器（１０）の第二の側（１２）の後に設けられている、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
第五の熱交換器（１９）が前記分岐管路（１８）内に、かつ前記流体サイクル（６）内で前記第三の熱交換器（１０）の前記第二の側（１２）の上流に設けられている、請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
第六の熱交換器（２０）は、前記管路（２）内で前記分岐管路（１８）の分岐部（２１）の上流に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記極低温で液化された気体は天然ガスである、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記流体サイクル（６）は窒素サイクルである、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
電気エネルギーを生成するため、および極低温で液化された気体を気化させるための方法であって、極低温で液化された気体が圧縮され、第一の熱交換器（７）内で流体流によって加熱されるとともに気化させられる方法において、
前記流体流は循環させられ、前記流体流は前記第一の熱交換器（７）の下流で圧縮され、第二の熱交換器（９）内で熱を受容し、第一の部分流（２２）および第二の部分流（２３）に分割され、前記第一の部分流（２２）は少なくとも排熱利用システム（５）内で熱エンジン（４）の排ガスにより加熱され、前記第二の部分流（２３）は第三の熱交換器（１０）内で加熱され、第一の部分流（２２）および第二の部分流（２３）は再び統合され、統合された流体は膨張させられ、続いて、前記第一の熱交換器（７）内で前記極低温で液化された気体を加熱する前に、前記第三の熱交換器（１０）内で前記第二の部分流（２３）を加熱することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記第一の部分流（２２）は、当該第一の部分流が前記排熱利用システム（５）内で加熱される前に、第四の熱交換器（１５）内で流体により、当該流体が前記第三の熱交換器（１０）内で前記第二の部分流（２３）を加熱した後に加熱される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
以前に極低温で液化された気体は、少なくとも部分的にガス供給システム（２４）に供給され、部分的に前記熱エンジン（４）に供給される、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱エンジン（４）に供給される、以前に極低温で液化された気体は流体により、当該流体が前記第三の熱交換器（１０）内で前記第二の部分流（２３）を加熱する前に、第五の熱交換器（１９）内で燃焼のために予熱される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
流体サイクル（６）内の流体として窒素が用いられる、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記流体サイクル（６）は超臨界条件下で運転される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
極低温で液化された気体として液化天然ガスが用いられる、請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーをコスト効率良く生成するため、および極低温で液化された気体、例えば天然ガス（ＬＮＧ＝液化天然ガス）を気化させるための装置と、対応する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスは通常、採取された後、管路を経て港湾内の対応するターミナルへと輸送される。そこで天然ガスは貯蔵され、処理され、最終的には相応の特殊船舶を用いて比較的長い距離にわたって輸送するために、強力に（−１６２℃まで）圧縮冷却することにより、液化される。液化天然ガスは輸送された後、ガス供給システムに導入される前に再気化される。このとき液化天然ガスは典型的には、環境熱（空気／海水）あるいは化学的熱で気化される。特許文献１は例えば、液体天然ガス流が気化される装置および方法を開示している。
【０００３】
代替的に、カスケード式有機ランキンサイクルを介して極低温冷熱をエネルギー的に利用することを目的とするコンセプトが展開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２１１２６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、極低温で液化された気体のための、エネルギー的に比較的コスト効率の良い気化方法を記載することを課題とする。本発明の課題はまた、相応に改善された装置を供給することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は装置に対する上記の課題を、以下の点を提供することにより解決する。すなわち、電気エネルギーを生成するため、および極低温で液化された気体を気化させるためのこのような装置であって、極低温で液化された気体のための管路と、当該管路内に設けられたポンプと、熱エンジンと、当該熱エンジンの下流に設けられた排熱利用システムとを含む装置において、分岐管路が管路から分岐し、当該分岐管路は熱エンジン内に出口を有し、前記装置はさらに流体サイクルを含み、当該流体サイクル内には流体の流れ方向において以下の構成要素、すなわち
‐第一の熱交換器であって、極低温で液化された気体の流れ方向においてポンプの後段で付加的に管路内に接続されている第一の熱交換器と、
‐圧縮機と、
‐第二の熱交換器と、
‐互いに平行な、第一の側を備える第三の熱交換器および排熱利用システムと、
‐発電機が連結された膨張機と、
‐第二の側を備える第三の熱交換器と、が連続的に設けられている。
【０００７】
極低温で液化された気体とは、当該気体が冷却によって液化されたことを意味する。本発明に関連する気体において温度は、−１４０℃およびそれを下回る大きさである。極低温で液化された気体の気化をさらなるプロセスに結合することにより、および特にシステム全体の熱統合を最適化することにより、最大効率で発電するために極低温冷熱を最大限に利用することが可能となる。
【０００８】
流体サイクルは装置の効率を最適化するために単圧プロセスとして運転されるべきである。このためには一定の温度のほか、圧縮機により供給される相応の圧力も必要とされる。
【０００９】
第二の熱交換器により、流体は環境熱を用いて加熱される。熱エンジンとしてガスタービンが用いられる場合、可能な応用はガスタービン吸気冷却であると想定され、これによりガスタービンの出力増加が生じる。しかしながら他の熱源を用いることもでき、例えば加熱された冷却水、海水、環境空気なども想定される。
【００１０】
第三の熱交換器により、熱は流体サイクル内部で巧みに移動させられる。
【００１１】
膨張機、例えばタービンにおいて、排熱利用システム内で加熱された流体は作業を行うように膨張させることができる。場合により発電機が膨張機に連結されている。
【００１２】
本発明の一の有利な実施の形態では、第三の熱交換器の第一の側に対して平行であるとともに、流体の流れ方向において排熱利用システムの前に、第一の側を備える第四の熱交換器が流体サイクル内に設けられている。当該第四の熱交換器はさらに、第二の側が、流体サイクル内で流体の流れ方向において第三の熱交換器の第二の側の後に設けられている。排熱利用システムの低温端部における腐食に伴う問題を避けるために、排熱利用システムに供給される流体は一定の温度を下回るべきではないと想定される。第四の熱交換器による予熱はこの点を確実にするものと考えられる。一方で第四の熱交換器を設けず、排熱利用システムの低温部材を比較的早期に修理することを認めるのも、排熱利用システム内の排熱の利用を改善させると想定される。
【００１３】
本発明の一のさらなる有利な実施の形態では、第五の熱交換器が分岐管路内に、かつ流体サイクル内で第三の熱交換器の第二の側の前に設けられており、それにより熱エンジン内で燃焼させるための燃料を予熱する。燃料予熱により燃料の顕熱が高められ、必要とされる燃料量が低減される。
【００１４】
第六の熱交換器が管路内で分岐管路の分岐部の前に設けられていると有利である。当該第六の熱交換器を用いて、再気化された気体をさらに温めるために、環境からの熱を利用すべきである。このとき環境からの熱利用が分岐部の後ではなく、分岐部の前で行われると有意義であり、それにより第五の熱交換器における本来の燃焼ガス予熱の際に、所望の温度水準を達成するためにシステム、すなわち流体サイクルから取り出さなければならない熱は少なくなる。
【００１５】
特許請求の対象である装置は、極低温で液化された様々な気体に対して利用可能である。しかしながら極低温で液化された気体が天然ガスである場合、天然ガスが熱エンジン内で利用可能であるというだけですでに有利であり、流体サイクル内の流体の選択と、設備全体の効率に関しても有利である。天然ガスに替わる選択肢は例えば水素である。
【００１６】
これに関連して流体サイクルが窒素サイクルである場合は、特に有利である。とりわけ窒素の不活性の特質のために、窒素の使用は有利である。しかしながら重要なのは、−１４７℃／３４ｂａｒａの臨界点を有する窒素がＬＮＧとの超臨界熱交換に極めて適していることである。超臨界状態により、等温の凝縮プラトーの形成は防止される。それにより熱交換の際のエクセルギー損失は最小化される。さらに凝固温度は−２１０℃で、−１６２℃のＬＮＧ温度を明らかに下回り、それにより流体の凍結は不可能である。
【００１７】
方法に対する上記の課題は、電気エネルギーを生成するため、および極低温で液化された気体を気化させるための方法であって、当該方法において極低温で液化された気体は圧縮され、第一の熱交換器内で流体流によって加熱されるとともに気化させられ、前記流体流は循環させられ、前記流体流は第一の熱交換器の後で圧縮され、第二の熱交換器内で熱を受容し、第一および第二の部分流に分割され、第一の部分流は少なくとも排熱利用システム内で熱エンジンの排ガスにより加熱され、第二の部分流は第三の熱交換器内で加熱され、第一および第二の部分流は再び統合され、統合された流体は膨張させられ、続いて、第一の熱交換器内で極低温で液化された気体を加熱する前に、第三の熱交換器内で第二の部分流を加熱する、方法によって解決される。
【００１８】
第一の部分流は、当該第一の部分流が排熱利用システム内で加熱される前に、第四の熱交換器内で流体により加熱されると有利であるが、当該加熱は、流体が第三の熱交換器内で第二の部分流を加熱した後に行われる。第三および第四の熱交換器の第二の側を逐次的に接続することは、流体流全体を共通して予熱することに比べて有意義であるが、それは第一の部分流はいずれにしても、排熱利用システム内の依然として比較的強力な加熱に供されるわけで、排熱利用システムへの入口領域内の流体の入口温度が比較的高いために、比較的大きな熱量を未使用のまま環境に放出しなければならないとすれば、流体全体を過度に「予熱」することは、設備全体の効率にネガティブな作用を及ぼしかねないからである。
【００１９】
さらに、以前に極低温で液化された気体が少なくとも部分的にガス供給システムに供給され、部分的に熱エンジンに供給されると有利である。
【００２０】
さらに、熱エンジンに供給され、以前に極低温で液化された気体は流体により、当該流体が第三の熱交換器内で第二の部分流を加熱する前に、第五の熱交換器内で燃焼のために予熱されると有利である。
【００２１】
流体サイクル内の流体として窒素が用いられると好適である。
【００２２】
このとき特に、流体サイクルが超臨界式に運転されるサイクルであると好適である。超臨界状態において気化熱が果たす役割はなくなり、それは効率的な熱交換に対してポジティブに作用する。
【００２３】
有利には、極低温で液化された気体として、液化天然ガスが用いられる。
【００２４】
本発明によれば再気化プロセス（好適にＬＮＧ）および循環プロセス（好適に窒素）は、最適な熱交換のためにそれぞれ超臨界圧力領域に至るまで単圧プロセスとして運転される。それにより効率が最適化された状態で、ガスタービン排ガスを介してプロセス内に取り込まれた排ガス熱全体をシステム内にとどめることができる。
【００２５】
さらに本発明に係るコンセプトによりＬＮＧは、好適なやり方でガス供給システムへのターミナルポイントにおいて、所望の圧力および温度レベルに調整することができる。
【００２６】
加えて流体サイクルの設計は部分システムの要求に関して最適に行われる（例えば内部の熱移動により、最終的なＬＮＧ温度も、ガスタービンの下流に設けられた排熱利用システムへの入口における窒素最低温度も可能となる）。
【００２７】
システム同士の最適な組み合わせと、プロセスパラメータの最適な選択により、例えば６１−６４％のＬＮＧ発電効率を達成することができる。それにより従来のガスおよび蒸気の複合技術を用いた場合、今後５年は見込めない水準が達成される。
【００２８】
さらなる有利点は以下のとおりである。
・全てのプロセスパラメータは、すでに今日利用可能な構成要素によって表すことができる。
・発電設備は当該発電設備を運転するために水を必要としない。
・簡単なプロセス構造は、簡単な制御を可能にする（例えば窒素プロセスにおいて複数の圧力段の代わりに、単独の圧力段を用いる）。
・従来の再気化アプローチに比べて、グリコールのような潜在的に環境を損なう媒体が存在しないため、環境にやさしい方法である。
・ＬＮＧ側において付加的なアクティブな構成要素を必要としないため、非常にコスト効率の良い装置および方法である。
・コンセプトパフォーマンスは、ＬＮＧシステム圧力に依存しない。
【００２９】
図面に基づき例に応じて本発明をより詳しく説明する。図面は概略的に表示され、縮尺に応じていない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電気エネルギーを生成するため、および液化された天然ガスを気化させるための本発明に係る装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は本発明に係る装置１を概略的に例として示している。当該装置は極低温で液化された気体、例えば天然ガスのための管路２と、当該管路２内に設けられたポンプ３を含む。図１の装置１はさらに熱エンジン４としてのガスタービンと、当該熱エンジン４の下流に設けられ、ガス・蒸気タービン複合設備における排熱蒸気発生器に類似する排熱利用システム５とを含む。しかしながら本発明は、水・蒸気サイクルを備えていない。
【００３２】
流体サイクル６は例えば窒素サイクルであってよく、図１の実施の形態では流体の流れ方向において連続的に以下の構成要素を含んでいる。すなわち、
‐極低温で液化された気体の流れ方向においてポンプ３の後段で付加的に管路２内に接続されている第一の熱交換器７であって、当該熱交換器７内で熱は例えば窒素により液化された天然ガスに移され、液化された天然ガスは加熱されるとともに気化する第一の熱交換器と、
‐圧縮機８であって、当該圧縮機を用いて流体／窒素は最適な熱交換のために超臨界圧力領域内に持ち込まれ得る圧縮機と、
‐第二の熱交換器９であって、当該第二の熱交換器において（例えばガスタービン吸気冷却部、海水、環境空気、加熱された冷却水からの）環境熱が流体を加熱するために用いられる第二の熱交換器と、
‐互いに平行な、流体の第二の部分流２３における第一の側１１を備える第三の熱交換器１０と、流体の第一の部分流２２における第一の側１６を備える第四の熱交換器１５および排熱利用システム５と、
‐発電機１４が連結された膨張機１３としてのタービンと、
‐燃料を予熱するための第五の熱交換器１９と、
‐第二の側１２を備える第三の熱交換器１０と、
‐第二の側１７を備える第四の熱交換器１５と、
である。
【００３３】
図１の実施の形態において、膨張させられた天然ガスの一部分はガス供給システム２４に供給され、他の部分はガスタービン（熱エンジン４）に供給される。この目的のために、分岐部２１において分岐管路１８が管路２から分岐している。分岐管路１８はガスタービン（熱エンジン４）内に出口を有する。すでに述べたとおり、燃料を予熱するために第五の熱交換器１９が分岐管路１８および流体サイクル６（＝窒素サイクル）内に接続されている。
【００３４】
図１の実施の形態においてさらに、第六の熱交換器２０が管路２内で分岐管路１８の分岐部２１の前に設けられている。
【００３５】
タービン１３であって、図１の実施の形態では当該タービン内で窒素が膨張させられるタービンは漏出物を有する。当該漏出物は少なくとも部分的に吸引することができ２５、その後流体サイクル６内に再循環させることができる。一般的に流体サイクル６内への窒素の供給部２６が設けられている。
【符号の説明】
【００３６】
１  装置
２  管路
３  ポンプ
４  熱エンジン
５  排熱利用システム
６  流体サイクル
７  第一の熱交換器
８  圧縮機
９  第二の熱交換器
１０  第三の熱交換器
１１  第三の熱交換器の第一の側
１２  第三の熱交換器の第二の側
１３  膨張機
１４  発電機
１５  第四の熱交換器
１６  第四の熱交換器の第一の側
１７  第四の熱交換器の第二の側
１８  分岐管路
１９  第五の熱交換器
２０  第六の熱交換器
２１  分岐部
２２  第一の部分流
２３  第二の部分流
２４  ガス供給システム
２５  漏出物の吸引
２６  窒素の供給部
【図１】
2021509940.tif 000003
【国際調査報告】
2021509940.tif 000004
2021509940.tif 000005
2021509940.tif 000006
2021509940.tif 000007
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