(57)【要約】電気エネルギを蓄積および復帰させるシステム。本システムは、ガスと孔状耐火材料（１１）を収容する第１容器（１）および第２容器（２）と、ガスと孔状耐火材料（１１）は、孔状耐火材料と、第１容器および第２容器を流れるガスとの接触によって適切に熱を移送することと；他方の容器の一端に接続された容器の端部同士の間のパイプを流れるガスの圧縮装置（３ｂ，４ｂ）および膨張装置（３ｃ，４ｃ）とを備える。本発明はまた、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。電気エネルギは、耐火材料内部の熱の形で蓄積され、蓄積された熱ポテンシャルエネルギは、電気エネルギの形で復帰される。
2010527221.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、
ガスと第１孔状耐火材料（１１）を収容する第１容器（１）と、ガスと第２孔状耐火材料（１１）を収容する第２容器（２）とであって、前記ガス、前記第１孔状耐火材料（１１）、および前記第２孔状耐火材料（１１）は、前記第１容器を流れるガスが前記第１孔状耐火材料（１１）に接触すること、および前記第２容器を流れるガスが前記第２孔状耐火材料（１１）に接触することとによって熱を移送することと；
前記第１容器の端部から前記第２容器の端部にガスを連続通過可能とするパイプ（１ｃ，１ｃ'，２ｃ，２ｃ'，１ｄ，１ｄ'，２ｄ，２ｄ'）の閉回路と；
他方の容器の一端に接続された容器の端部同士の間のパイプを流れるガスを圧縮する圧縮装置（３ｂ，４ｂ）および膨張させる膨張装置（３ｃ，４ｃ）と；
前記第２容器を流れるガスを加熱する第１ガス加熱装置（５ａ）と；
前記第１容器の端部のうちの１つと、前記圧縮装置（４ｂ）および前記膨張装置（３ｃ）との間を流れるガスを冷却する冷却装置（６）であって、前記冷却装置（６）は、前記膨張装置（３ｃ）による膨張前に前記端部において前記第１容器から流出するガス、または前記圧縮装置（４ｂ）による圧縮後に前記第１容器に流入するガスを冷却することと
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】
（Ａ）  第１容器上端（１１）と第１容器下端（１２）の間で前記第１容器を流れるガスを通過させる前記第１孔状耐火材料によって充填された第１被覆容器（１）と；
（Ｂ）  第２容器上端（２１）と第２容器下端（２２）の間で前記第２容器を流れるガスを通過させる前記第２孔状耐火材料によって充填された第２被覆容器（２）と；
（Ｃ）  前記第１容器と前記第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（１ｃ，１ｃ'，２ｃ，２ｃ'，１ｄ，１ｄ'，２ｄ，２ｄ'）であって、前記パイプは、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〜１ｄ'）および第２上パイプ（２ｄ〜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〜１ｃ'）および第２下パイプ（２ｃ〜２ｃ'）とを備えることと；
（Ｄ）  前記第２容器の内部のガスを加熱する第１ガス加熱装置（５ａ）と、
（Ｅ）  電気モータ（３ａ）を備える第１ガス圧縮装置（３）であって、前記電気モータ（３ａ）は、第１上パイプ（１ｄ）を介して前記第１容器上端（１１）にガスを供給するために、第２上パイプ（２ｄ）を介して前記第２容器上端（２１）から得られるガスを圧縮する第１圧縮機（３ｂ）を作動させるために蓄積される電気エネルギ（Ｅ１）によって供給されることと；
（Ｆ）  第１タービン（３ｃ）を備える第１ガス膨張装置（３ｃ）であって、前記第１タービン（３ｃ）は、第２下パイプ（２ｃ）を介して前記第２容器下端（２２）にガスを供給するために、前記第１下パイプ（１ｃ）を介して前記第１容器下端（１２）から得られるガスを膨張させることと；
（Ｇ）  他の第１下パイプ（１ｃ，１ｃ'）を介して前記第１容器下端（１２）にガス
を供給するために、他の第２下パイプ（２ｃ，２ｃ'）を介して前記第２容器下端（２２
）から得られるガスを圧縮する第２ガス圧縮装置（４ｂ）と；
（Ｈ）  第２タービン（４ｃ）を備える第２ガス膨張装置であって、前記第２タービン（４ｃ）は、他の第２上パイプ（２ｄ，２ｄ'）を介して前記第２容器上端（２１）にガ
スを供給するために、他の第１上パイプ（１ｄ，１ｄ'）を介して前記第１容器上端（１
１）から得られるガスを膨張し、第２膨張装置は、電気エネルギ（ＥＲ）を復帰させる発電機（４ａ）を作動させることと；
［Ｉ］  前記第１容器下端（１２）から、第２圧縮機（４ｂ）および前記第１タービン（３ｃ）までの第１下パイプ（１ｃ，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、請求項１記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項３】
前記エネルギ蓄積復帰システムは更に、前記第２容器上端と前記第１圧縮機（３ｂ）との間の第２上パイプ（２ｄ）を流れるガスを加熱する第２ガス加熱装置（５ｂ）を備える、請求項２記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項４】
前記第１タービン（３ｃ）は、機械的連結する前記第１圧縮機（３ｂ）によって作動される、請求項２または３記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項５】
前記第２タービン（４ｃ）は、前記第２タービン（４ｃ）を駆動する補助電気モータ（４ｄ）に連結される、請求項２〜４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２圧縮機（４ｂ）は、機械的連結される前記第２タービン（４ｃ）によって作動される、請求項２〜５何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項７】
不活性ガス、好ましくはアルゴンによって充填される、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容器と前記第１孔状耐火材料は、少なくとも７５０℃、好ましくは７５０℃〜２０００℃、より好ましくは１０００℃〜１５００℃の第１温度Ｔ１に耐性があり、
前記第２タービンは、第１温度Ｔ１でガスを膨張させる大きさであり
前記第２タービンよりも容量が小さい前記第１タービンは、周囲温度Ｔ０から−８０℃〜−２０℃の第３温度Ｔ３でガスを膨張させる大きさである、請求項２〜７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２容器と前記第２孔状耐火材料は、少なくとも４００℃、好ましくは４００℃〜１０００℃、より好ましくは５００℃〜７００℃の第２温度Ｔ２に耐性があり、
前記第１圧縮機は、第２温度Ｔ２でガスを圧縮する大きさであり、
前記第１圧縮機よりも容量が小さい前記第２圧縮機は、−８０℃〜−２０℃の第３温度Ｔ３でガスを周囲温度まで圧縮する大きさである、請求項２〜８何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１０】
前記第１圧縮機は、前記第１タービンよりも高い体積流量で供給し、
前記第２タービンは、前記第２圧縮機よりも高い体積流量で供給し、
前記第１圧縮機と前記第２タービンは炭素を含む、請求項２〜９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孔状耐火材料と前記第２孔状耐火材料は、２０％〜６０％の気孔率を有する、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１孔状耐火材料と前記第２孔状耐火材料は、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１１記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１３】
前記第１孔状耐火材料と前記第２孔状耐火材料は、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１〜１２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孔状耐火材料は、第２耐火粘土またはシャモットを含む、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】
前記第２孔状耐火材料は、第１耐火粘土を含む、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。
【請求項１６】
前記第１容器と前記第２容器はそれぞれ５０００ｍ３以上、好ましくは１００００ｍ３〜４５０００ｍ３の体積を有する、請求項１〜１５何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１７】
請求項１〜１６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）への供給前に前記第１圧縮機（３ｂ）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容器では前記第２容器の第２圧力Ｐ２よりも高い第１圧力Ｐ１が設定され、前記第１圧縮機（３ｂ）は、蓄積される電気エネルギ（Ｅ１）で電力供給される第１電気モータ（３ａ）によって駆動されることと；
［ＩＩ］  ガスは第１容器上端（１１）と第１容器下端（１２）の間で前記第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よりは低い第１低温度Ｔ’１で前記第１容器下端（１２）から流出することと；
［ＩＩＩ］  前記第１容器下端（１２）の流出口の下流に配置された、好ましくは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］  その後にガスは、好ましくは前記第１圧縮機（３ｂ）によって駆動される前記第１タービン（３ｃ）によって第１圧力Ｐ１よりも低い前記第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（２２）を介して前記第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容器を流れ、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、第２低温度Ｔ’２で前記第２容器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温度Ｔ２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容器の体積の少なくとも８０％を占めることと
を含む、エネルギ蓄積方法。
【請求項１８】
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容器の体積の少なくとも１０％、好ましくは１０％〜２０％となり、
第２温度Ｔ２の前記第２容器上部（２ａ）は、前記第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、請求項１７記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項１９】
Ｔ１／Ｔ２が１．５〜３であり、Ｔ１／Ｔ０が２よりも高く、好ましくは３よりも高く、より好ましくは６未満であり、
Ｐ１／Ｐ２が２〜４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】
前記第１温度Ｔ１は７５０℃〜２０００℃、好ましくは１０００℃〜１５００℃であり、
前記第２温度Ｔ２は４００℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜７００℃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】
第１圧力Ｐ１は２〜４バール絶対圧（２×１０５  Ｐａ〜４×１０５  Ｐａ）であり、
第２圧力Ｐ２は０．５〜１．５バール絶対圧（０．５×１０５  Ｐａ〜１．５×１０５Ｐａ）である、請求項１９または２０記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２２】
前記周囲温度Ｔ０は１０℃〜５０℃、第３温度Ｔ３は−８０℃〜−２０℃、Ｔ１'は２
０℃〜１５０℃である、請求項１７〜２１何れか一項記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２３】
蓄積された電気エネルギ量は、２０ＭＷｈ〜１００００ＭＷｈである、請求項１７〜２１何れか一項記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２４】
請求項１７〜２３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２圧縮機（４ｂ）と前記第２タービン（４ｃ）が補助電気モータ（４ｄ）によって駆動される初期段階において、前記第１容器の第１高圧力Ｐ’１と、第１高圧力Ｐ’１よりも低い前記第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は第２高圧力Ｐ’２よりも高く、第１高圧力Ｐ’１は好ましくはＰ１よりも高く、第２高圧力Ｐ’２は好ましくはＰ２未満となるように設定され、この初期段階の後、
［Ｉ］  第１温度Ｔ１で前記第１容器上端（１１）から流出するガスが、前記第２タービン（４ｃ）によって膨張されて第２温度Ｔ２まで冷却され、前記第２タービン（４ｃ）は、復帰された電気エネルギ（ＥＲ）を供給可能にする発電機（４ａ）を作動させることと；
［ＩＩ］  ガスは前記第２容器上端（２１）から第２容器下端（２２）まで通過する第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）から流出するガスはその後、前記第２タービン（４ｃ）によって放出されるエネルギによって好ましくは作動する前記第２圧縮機（４ｂ）を通過して圧縮され、前記第２圧縮機（４ｂ）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（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まで冷却されて、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］  ガスは前記第１容器を流れ、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］を繰返し行うことと
を含む、エネルギ復帰方法。
【請求項２５】
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容器の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となる、請求項２４記載のエネルギ復帰方法。
【請求項２６】
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７５％〜８５％である、請求項２４または２５記載のエネルギ復帰方法。
【請求項２７】
Ｐ'１／Ｐ'２の比が３〜５である、請求項２４〜２６何れか一項記載のエネルギ復帰方法。
【請求項２８】
第４温度Ｔ４は１５０℃〜４００℃である、請求項２４〜２７何れか一項記載のエネルギ復帰方法。
【請求項２９】
第１高圧力Ｐ’１は、３〜５バール絶対圧（２×１０５  Ｐａ〜４×１０５  Ｐａ）であり、
第２高圧力Ｐ’２は、１〜１．５バール絶対圧（１×１０５  Ｐａ〜１．５×１０５  Ｐａ）である、請求項２４〜２８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または数千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回収するために最後に膨張タービンへ案内する。圧縮機と膨張タービンは、一般に共通のシャフトに一列に載置される。この種の回転機械の最大効率は、膨張タービ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。一般にＣＯ２、ＮＯｘ、およびタービンのブレードの作製に用いられる合金に対して攻撃性のある他の化合物を含む燃焼ガスが、超高温で示す攻撃性を考えると、動作温度は膨張タービンのブレード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み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、巨大で全く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、水が浪費される。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み上げ、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℃）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非常に有意に低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２００５／１０８７５８号
【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、ガス、第１孔状耐火材料、および第２孔状耐火材料を収容する第１容器お
よび第２容器であって、ガス、第１孔状耐火材料、および第２孔状耐火材料は、第１孔状耐火材料および第２孔状耐火材料と、第１容器および第２容器を流れるガスとの接触によって適切に熱を移送することと；第１容器および第２容器のそれぞれの一端から他端にガスを連続して通過可能とするパイプの閉回路と；他方の容器の一端に接続された容器の端部同士の間のパイプを流れるガスを圧縮する圧縮装置および膨張させる膨張装置と；好ましくは、第２容器を流れるガスを適切に加熱する第１ガス加熱装置と；好ましくは、第１容器の端部のうちの１つの端部と、圧縮装置および膨張装置との間を流れるガスを冷却する冷却装置と、冷却装置は膨張装置による膨張前に前記端部より第１容器から流出するガス、または圧縮装置による圧縮後に第１容器に流入するガスを適切に冷却することとを備えることを特徴とするシステムを提供する。
【００１８】
前記２つのｎ番目の上パイプ（または下パイプ）は、タービン／圧縮機と１つの容器との間に接続部をもたらす２つの平行なパイプであること、あるいは前記２つのパイプの一方は、タービン／圧縮機の手前に他方のパイプからの分岐パイプを備えることを理解されたい。
【００１９】
より詳細には、本発明の電気エネルギを蓄積および復帰させるシステムは：
（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適切に通過させる第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適切に通過させる第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、パイプは、第１容器および第２容器上端同士の間の第１上パイプおよび第２上パイプと、第１容器下端と第２容器下端同士の間の第１下パイプおよび第２下パイプとを備えることと；
（Ｄ）  好ましくは、第２容器の内部のガスを適切に加熱する第１ガス加熱装置と；
（Ｅ）  電気モータを備える第１ガス圧縮装置であって、電気モータは、第１上パイプを介して第１容器上端にガスを供給するために、第２上パイプを介して第２容器上端から得られるガスを適切に圧縮する第１圧縮機を作動させるために蓄積される電気エネルギで適切に供給されることと；
（Ｆ）  第１タービンを備える第１ガス膨張装置であって、第１タービンは、第２下パイプを介して第２容器下端にガスを供給するために、第１下パイプを介して第１容器下端から得られるガスを適切に膨張させることと；
（Ｇ）  他の第１下パイプを介して第１容器下端にガスを供給するために、他の第２下パイプを介して第２容器下端から得られるガスを適切に圧縮する第２ガス圧縮装置と；
（Ｈ）  第２タービンを備える第２ガス膨張装置であって、第２タービンは、他の第２上パイプを介して第２容器上端にガスを供給するために、他の第１上パイプを介して第１容器上端から得られるガスを適切に膨張させ、第２膨張装置は、電気エネルギを適切に復帰させる発電機を適切に作動させることと；
［Ｉ］  第１容器下端から、第２圧縮機および第１タービンの流出口および流入口までの第１下パイプを流れるガスを適切に冷却するガス冷却装置、好ましくは熱交換器と
を備える。
【００２０】
本発明の電気エネルギを蓄積および復帰させるシステムは、好ましくは第２容器上端と第１圧縮機の間の第２上パイプを流れるガスを適切に加熱する第２ガス加熱装置を備える。
【００２１】
本発明のシステムの利点となる他の特徴によると：
・第１タービンは、機械的連結した第１圧縮機によって適切に作動され；
・第２タービンは、第２タービンを適切に駆動する補助電気モータに連結され；
・第２圧縮機は、機械的連結される第２タービンによって作動される。
【００２２】
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、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、永久気体であり不活性ガスである（すなわち配管が腐食しない）ため、加熱し易いという利点をもつ単原子ガスであり、圧縮比に制限があるため、並びに低コストで豊富に得られるため利点がある。
【００２３】
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７５０℃、好ましくは７５０℃〜２０００℃、より好ましくは１０００℃〜１５００℃の第１温度Ｔ１に耐性があり；
・第２タービンは第１温度Ｔ１でガスを膨張させる大きさであり、第２タービンよりも容量が小さい第１タービンは、周囲温度Ｔ０から−８０℃〜−２０℃の第３温度Ｔ３でガスを膨張させる大きさであり；
・第２容器と第２孔状耐火材料は、少なくとも４００℃、好ましくは４００℃〜１０００℃、より好ましくは５００℃〜７００℃の第２温度Ｔ２に耐性があり；
・第１圧縮機は第２温度Ｔ２でガスを圧縮する大きさであり、第１圧縮機よりも容量が小さい第２圧縮機は、−８０℃〜−２０℃の第３温度Ｔ３でガスを周囲温度まで圧縮する大きさである
という特徴を有する。
【００２４】
特に第１圧縮機は、第１タービンよりも高い体積流量で適切に供給を行い、第２タービンは、第２圧縮機よりも高い体積流量で適切に供給を行い、第１圧縮機と第２タービンは炭素を含む。
【００２５】
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／ｍ３／Ｋ、より好ましくは少なくとも２８００ｋＪ／ｍ３／Ｋ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。
【００２６】
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、前記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、前記孔はより好ましくは５ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有する。
【００２７】
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、および炭素であってもよい。
【００２８】
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５０００ｍ３以上、好ましくは１００００ｍ３〜４５０００ｍ３の体積を有する。
【００２９】
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。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る。蓄積方法は、
［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圧縮機は、蓄積される電気エネルギで電力供給される第１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、好ましくは第１圧縮機によって駆動される第１タービンによって第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Ｔ’２で第２容器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Ｔ２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う。
【００３０】
前記工程［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前部すなわち第１熱遷移層が下方に移動し、第１温度Ｔ１の上部の占める体積が増加する。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前部すなわち第２熱遷移層が上方に移動し、第３温度Ｔ３の下部の占める体積が増加する。
【００３１】
第１圧縮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（カロリー）の形で第１容器に、（低温の）熱エネルギ（フリゴリ（ｆｒｉｇｏｒｉｅｓ））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。
【００３２】
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。
【００３３】
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：
・第１温度Ｔ１，Ｔ２はＴ１／Ｔ２が１．５〜３であり、Ｔ１／Ｔ０が２よりも高く、好ましくは３よりも高く、より好ましくは６未満であり、Ｐ１／Ｐ２が２〜４である；
・第１温度Ｔ１は７５０℃〜２０００℃、好ましくは１０００℃〜１５００℃であり、第
２温度Ｔ２は４００℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜７００℃である；
・第１圧力Ｐ１は２〜４バール絶対圧（２×１０５  Ｐａ〜４×１０５  Ｐａ）であり、第２圧力Ｐ２は０．５〜１．５バール絶対圧（０．５×１０５  Ｐａ〜１．５×１０５Ｐａ）である；
・必要に応じて周囲温度Ｔ０は１０℃〜５０℃、第３温度Ｔ３は−８０℃〜−２０℃、Ｔ１'は２０℃〜１５０℃である。好適には、２０ＭＷｈ〜１００００ＭＷｈの電気エネル
ギ量が蓄積される。
【００３４】
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を電気エネルギに復帰させる方法であって、第２圧縮機と第２タービンが補助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は第２高圧力Ｐ’２よりも高く、第１高圧力Ｐ’１は好ましくはＰ１よりも高く、第２高圧力Ｐ’２は好ましくはＰ２未満となるように設定され、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２タービンによって膨張されて第２温度Ｔ２まで冷却され、第２タービンは、復帰された電気エネルギを供給可能にする発電機を作動させることと；
［ＩＩ］  ガスは第２容器上端から第２容器下端まで通過することであって、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、第２タービンによって放出されるエネルギによって好ましくは作動する第２圧縮機を通過して圧縮され、第２圧縮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］  好ましくはガスはその後、下端より第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、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、上記工程［Ｉ］〜［Ｖ］を繰返し行うことと
を含む一連の工程を行う方法を提供する。
【００３５】
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。
【００３６】
各工程［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前部すなわち第２熱遷移層が下方に移動し、第３温度Ｔ３の下部の占める体積が減少する。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前部すなわち第１熱遷移層が上方に移動し、第１温度Ｔ１の上部の占める体積が減少する。
【００３７】
（高温の）熱エネルギ（カロリー）の形で第１容器に、（低温の）熱エネルギ（フリゴ
リ（ｆｒｉｇｏｒｉｅｓ））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２容器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。
【００３８】
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。
【００３９】
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７５％〜８５％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３〜５である；
・第４温度Ｔ４は１５０℃〜４００℃である；
・第１高圧力Ｐ’１は３〜５バール絶対圧（２×１０５  Ｐａ〜４×１０５  Ｐａ）であり、第２高圧力Ｐ’２は１〜１．５バール絶対圧（１×１０５  Ｐａ〜１．５×１０５  Ｐａ）である。
【００４０】
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】
【００４１】
【図１】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２】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。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
電気エネルギを蓄積および復帰させる本発明の装置は：
・１０ｍｍ〜１００ｍｍの厚さを有し、且つ１０００℃〜１６００℃、特に１３００℃の第１温度Ｔ１、および２バール絶対圧（ｂａｒａ）〜５ｂａｒａ（すなわち２×１０５  Ｐａ〜５×１０５  Ｐａ）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被覆容器である第１容器１と；
・共通の体積（すなわち、１００００ｍ３〜１５０００ｍ３）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、５００℃〜７００℃、特に約６００℃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とを有する第２被覆容器である第２容器２と
を備える。
【００４３】
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で略全体が充填されている。
システム内のガスが、第１容器と第２容器上端および下端に好ましくは位置する２つの対極にある端部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の間の閉回路循環のダクトを備える。
【００４４】
第１容器と第２容器の間の循環ダクトは、以下のように第１容器と第２容器の間のガスを圧縮する装置／膨張させる装置も備える。
特に、第１容器と第２容器は垂直に配置される。
【００４５】
図１と図２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を備え、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を備える。
【００４６】
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を備え、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を備える。
【００４７】
第１下ダクト１ｃ、第２下ダクト２ｃ、および上ダクト１ｄ，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。
【００４８】
第１圧縮／膨張群３は、第１容器１と第２容器２の間に介在する。以下のように、この第１圧縮／膨張群３は第１モータ３ａと第１ガスタービン３ｃとを備える。第１モータ３ａは電気Ｅ１で電力供給され、且つ軸流式または遠心分離式の第１動的圧縮機３ｄを作動させるように機能する。第１ガスタービン３ｃは、第１圧縮機３ｂに連結されている。また第１モータ３ａと第１ガスタービン３ｃの各シャフトは、互いに連結されている。
【００４９】
第１圧縮機３ｂ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圧縮機３ｂ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圧縮機３ｂ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の第１圧縮機３ｂからのガス放出パイプを成す。
【００５０】
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圧縮機３ｂの流入口との間に介在する。
【００５１】
第１タービン３ｃ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１タービン３ｃ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から放出されたガスを、第１タービン３ｃ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ている場合、第１タービン３ｃから放出されたガスは、第２下パイプ２ｃを介して第２容器下部２ｂに到達する。
【００５２】
熱交換器６は、第１容器下端１２と第１タービン３ｃの間の第１下パイプ１ｃに連携動作する。
図２に示すとおり、第２群４（発電機群という）は、以下のように第１容器１と第２容器２の間に介在する。発電機第２群４は、第２ガスタービン４ｃと、更に第２圧縮機４ｂとに連結される第２電気モータ４ｄを備える。以下に説明するとおり、第２電気モータ４ｄは、エネルギ復帰サイクル／エネルギ引出サイクルの開始時に第２タービン４ｃを始動させるために本質的に機能する小型モータである。
【００５３】
発電機第２群４は、第２ガスタービン４ｃと第２圧縮機４ｂとの放出シャフトに連結されたオルタネータ４ａを備える。エネルギ引出サイクル時に以下のように第２タービン４ｃおよび第２圧縮機４ｂが起動されると、電気エネルギＥＲを復帰させる。
【００５４】
第２タービン４ｃには、第１上ダクト１ｄからの分岐接続部である第１上分岐ダクト１ｄ'、または第１上ダクト１ｄに平行なダクトによってガスが供給され、その結果、第１
容器上端１１は第２タービン４ｃに接続される。装置が引出サイクルで動作している場合、第２タービン４ｃから流出する膨張ガスは、第２上ダクト２ｄに続く第２上分岐ダクト２ｄ'、または第２上ダクト２ｄに平行なダクトによって第２容器上端２１に向けて放出
され、その結果、第２容器上端２１は第２タービン４ｃに接続される。
【００５５】
第２圧縮機４ｂには、第２下ダクト２ｃに続く第２分岐下ダクト２ｃ'、または第２下
ダクトに平行なダクトによってガスが供給され、第２容器下端２２は第２圧縮機４ｂに接続される。第１下ダクト１ｃに続く第１分岐下ダクト１ｃ'、または第１下ダクト１ｃに
平行なダクトによって、第２圧縮機４ｂから第１容器下端１２に向かってガスが放出され、その結果、第１容器下端１２は第２圧縮機４ｂに接続される。
【００５６】
第２分岐下ダクト２ｃ'は、第１タービン３ｃに到達する手前で、第２圧縮機４ｂを第
２下パイプ２ｃに接続する。第１分岐上ダクト１ｄ'は、第１圧縮機３ｂに到達する手前
で、第２タービン４ｃを第１上ダクト１ｄに接続する。第２分岐上ダクト２ｄ'は、第２
ヒータ５ｂと第１圧縮機３ｂの間において、第２タービン４ｃと第２上ダクト２ｄとの接続部となる。第１分岐下ダクト１ｃ'は、熱交換器６と第１タービン３ｃの間において、
第２圧縮機４ｂと第１下ダクト１ｃの接続部となる。
【００５７】
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の間で前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。
【００５８】
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５ｍｍ〜３０ｍｍ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
分岐接続バルブＶ１〜Ｖ４は、以下の接続部に設けられる：
・Ｖ１：第１上ダクト１ｄと第１分岐上ダクト１ｄ'の間の接続部；
・Ｖ２：第２上ダクト２ｄと第２分岐上ダクト２ｄ'の間の接続部；
・Ｖ３：第１下ダクト１ｃと第１分岐下ダクト１ｃ'の間の接続部；
・Ｖ４：第２下ダクト２ｃと第２分岐下ダクト２ｃ'の間の接続部。
【００６３】
図１と図２を参照して以下に説明するとおり、エネルギ蓄積サイクル時に発電機第２群４の接続を遮断することによって、圧縮機第１群３（第１圧縮機３ｂと第１タービン３ｃ）はそれ自身で動作可能になる。あるいは逆に、エネルギ引出サイクル時に第２圧縮機４ｂを動作させるために、第１圧縮機３ｂの接続を遮断して分岐ダクトを開くことができる。
【００６４】
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：
・蓄積サイクルすなわち充填サイクルの第１モード；
・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。
【００６５】
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）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℃）で載荷される。
【００６６】
図１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℃〜２０℃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。
【００６７】
第２容器２内の耐火材料は、その後に６００℃の第２温度Ｔ２まで加熱される。加熱を行うために、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。
【００６８】
第２容器２内の耐火材料全体が６００℃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圧縮機３ｂに送られ、第１圧縮機３ｂの流出口で１２００℃〜１４００℃（たとえば１３００℃）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２ｂａｒａ〜４ｂａｒａ（２×１０５  Ｐａ〜４×１０５  Ｐａ）に上昇し、第２容器２の第２圧力Ｐ２は約１ｂａｒａ（１×１０５  Ｐａ）に降下する。
【００６９】
第１容器１において、耐火材料の第１容器上部１ａは１３００℃の第１温度Ｔ１まで上昇し続け、第１容器下部１ｂは２０℃〜１００℃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の流出口において第１タービン３ｃ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第１タービン３ｃに導入および貫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℃〜２０℃の周囲温度Ｔ０に冷却される。
【００７０】
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（１３００℃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前部としての第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℃〜１００℃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−８０℃〜−２０℃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前部としての第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。
【００７１】
第１圧縮機３ｂは、電気エネルギＥ１を消費する第１モータ３ａによって作動される。第１タービン３ｃは、第１圧縮機３ｂにシャフトを介して連結される。これによって、第１モータ３ａが与えるエネルギに加え、第１タービン３ｃが、第１圧縮機３ｂにエネルギを供給する。
【００７２】
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６００℃未満、たとえば３００℃〜４５０℃）に降下する。
【００７３】
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、第１圧縮機３ｂに到達するまで６００℃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。同様に第１モータ３ａは、第１圧縮機３ｂの流出口の温度を、約１３００℃の一定の第１温度Ｔ１に維持するように調節される。
【００７４】
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、第１モータ３ａ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。
【００７５】
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し、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℃〜２０℃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℃〜１００℃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℃〜２０℃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速によって温度５０℃〜１００℃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、５０℃〜１００℃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。
【００７６】
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。
【００７７】
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℃〜１００℃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、−８０℃〜−２０℃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。
【００７８】
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ａの温度遷移領域の体積に相応する。
図２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。
【００７９】
第１容器１の充填が完了すると第１モータ３ａは停止し、第１分岐上ダクト１ｄ'と第
２分岐上ダクト２ｄ'によってガスが第２群４に供給されるように各種バルブＶ１〜Ｖ４
が作動する。また、第１分岐下ダクト１ｃ'と第２分岐下ダクト２ｃ'、第１圧縮機３ｂ、および第１タービン３ｃには、ガスは供給されない。
【００８０】
復帰の初期時、つまり充填段階の終わりに第１モータ３ａ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１．５ｂａｒａ〜２．５ｂａｒａ（１．５×１０５  Ｐａ〜２．５×１０５  Ｐａ）の中間値で均衡する。
【００８１】
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２タービン４ｃと、第２タービン４ｃに連結した第２圧縮機４ｂとを駆動する小型電気モータ４ｄが起動される。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よりも高い第２高圧力Ｐ’２になる。
【００８２】
開始時、第２圧縮機４ｂ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、ガスを第２タービン４ｃに供給し、最後に第２容器２に復帰して循環サイクルを継続する。第２タービン４ｃが動作速度に到達すると、小型電気モータ４ｄはＯｆｆに切替わる。
【００８３】
安定状態において、第２タービン４ｃ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２タービン４ｃ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２タービン４ｃと第２圧縮機４ｂ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３ｂａｒａ〜５ｂａｒａとなり、第２高圧力Ｐ’２は１ｂａｒａ〜１．５ｂａｒａとなる。
【００８４】
圧力勾配Ｐ'１／Ｐ'２が設定されると、小型電気モータ４ｄ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−８０℃〜−２０℃の第３温度Ｔ３である。ガスは第２圧縮機４ｂ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圧縮機４ｂ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、１００℃〜１５０℃である。
【００８５】
第２圧縮機４ｂ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℃〜１２０℃の第１低温度Ｔ’１である。
【００８６】
引出サイクル時に第２圧縮機４ｂ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１タービン３ｃ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。圧縮機およびタービン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。
【００８７】
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発電機つまりオルタネータ４ａを駆動する第２タービン４ｃ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、第２タービン４ｃが放出するエネルギから、第２タービン４ｃに連結された第２圧縮機４ｂ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、タービン、圧縮機、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。
【００８８】
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１５％〜２５％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、７５％〜８５％である。
【００８９】
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容器上部１ａ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％に相応し、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。この層も同様に、第２容器２の体積の１０％〜２０％となる。
【００９０】
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の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。
【００９１】
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る。
【００９２】
同時に、もし復帰サイクルの終端で第２容器２全体の第２容器下端２２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、一層高い第４温度Ｔ４で熱交換器６の下流に到達し、一層高い熱損失Ｅ４を生じるため、エネルギ損失もより高くなる。
【００９３】
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、第２モータ４ｄ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圧縮機３ｂ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。
【００９４】
蓄積サイクルに用いられる第１圧縮機３ｂと第１タービン３ｃの大きさは、異なる温度下での引出サイクルに用いられる第２圧縮機４ｂと第２タービン４ｃの大きさとは非常に異なる。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圧縮機およびタービン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圧縮機３ｂは１３００℃の第１温度Ｔ１で動作するため大型圧縮機であり、第１タービン３ｃは約−５０℃の第３温度Ｔ３で動作するため小型タービンである。反対に引出サイクルにおいて、−５０℃の第３温度Ｔ３で動作する第２圧縮機４ｂは小型圧縮機であり、約１３００℃の第１温度Ｔ１で動作する第２タービン４ｃは大型タービンである。蓄積段階で小型の第１タービン３ｃを使用すると、大型の第１圧縮機３ｂによって駆動され易いことが観察される。同様に、小型の第２圧縮機４ｂを使用すると、エネルギ損失が抑え
られ、エネルギＥＲは第２タービン４ｃが放出するエネルギから、第２圧縮機４ｂ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圧縮機４ｂ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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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℃，５００℃）に維持されるように、第２圧縮機４ｂ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２タービン４ｃの動作が調節されることが観察される。
【００９８】
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が観察される。
【００９９】
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℃）；
・Ｔ１（第１容器の温度：１３００℃）；
・Ｔ２（第２容器の高温度：６００℃）；
・Ｔ３（第２容器の低温度：−８０℃〜−２０℃）。
【０１００】
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よりも高い体積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よりも高い体積Ｖａ１とで、第２温度Ｔ２に到達する。
【０１０１】
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、前記耐火材料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。
【０１０２】
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タービ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。
【０１０３】
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、タービン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、タービン、ダクト、各容器をガスが何度も通過する。
【０１０４】
図５は、図１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で第１圧縮機３ｂ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℃〜１００℃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℃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１タービン３ｃを通過して第１圧縮機３ｂにエネルギを発し、第２下パイプ２ｃの第１タービン３ｃは、第３温度Ｔ３（−５０℃）になる（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。
【０１０５】
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）。ガスはその後に第２タービン４ｃを通過し、エネルギを発電機（ＥＲ）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）。その後にガスは第２圧縮機４ｂ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。
【０１０６】
図７は、左側に第１容器１と、温度が約２０℃の下領域および温度が約１３００℃の上領域の間にある上昇する第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７Ｂ）、復帰段階においては上方に移動する（
図７Ａ）。最適効率に相当するタービン装置の動作範囲に維持するには、第１容器１を完全に充填しないまたは完全に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−５０℃で上部は５００℃）。使用する熱材の割合は、高さδＨ２に対応する。使用される前記割合は、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。
【０１０７】
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、７５％〜８５％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Ｔ２〜Ｔ１でエネルギが交互に汲み上げされ、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
優れた全体効率の第３の理由は、蓄積段階において、高温の第１圧縮機３ｂ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から汲み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。
【０１１０】
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をできる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。
【０１１１】
優れた全体効率の理由として最後に、蓄積段階に第１タービン３ｃ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、第２圧縮機４ｂでの圧縮前にガスの冷却が可能となる。その結果、第２圧縮機４ｂ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。
【０１１２】
ターボ機械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。タービンにおいては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）。
【０１１３】
ガスの密度はモル質量に比例する。軽質ガスよりも重質ガスの方が膨張または拡張し易い。重ガスに必要な機械は、軽ガスに必要な機械よりも一層小型で一層安価である。
モル質量は、アルゴンが４０、ＣＯ２が４４、クリプトンが８４、キセノンが１３１、ラドンが２２２である。
【０１１４】
このため、気体としてクリプトンまたはキセノンを使用するターボ機械は、モル質量が４のヘリウム、モル質量が２８の窒素などのガスを使用するものよりも一層コンパクトで
ある。更に熱力学的な式：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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
第１容器１の第１耐火材料１１は、たとえば１２００℃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耐火粘土であってもよい。
【０１１８】
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、容器の長手方向の前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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
【表１】
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【０１２１】
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、最大温度が他よりも非常に低い。
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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限界温度１８００℃でより好ましい性能を示す。
【０１２４】
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かは、高温の耐火性容器の壁を被覆する絶縁材料（約１２０００ｍ３）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℃で設定され、第２温度Ｔ２は約６００℃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。
【０１２５】
燃焼後に得られたガスは攻撃性があるため、遠心式圧縮機または軸流式圧縮機、およびタービンの温度は通常制限されている。しかし本発明の装置において、このようなタービンおよび圧縮機は、不活性ガス（たとえばアルゴン）を用いて閉回路で使用される。このため、タービンおよび圧縮機は従来技術よりも高い温度で動作点を示すことができる。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
ガスは不活性ガスであるため、高温で動作する大型の第１圧縮機３ｂと大型タービン４ｃは、炭素系材料から成ることがよい。このような材料は、２０００℃を超える超高温に対して機械的に耐性がある。また気体（たとえば空気）または燃焼生成物の酸化時に急速に酸化するため、ターボ機械の構築には通常使用されない。こうした制限は本明細書において適用されないため、炭素系材料の使用は想定され得る。炭素タービンは実験的に、またはわずか数分の寿命をもつロケットエンジン用に既に作製されている。本発明のこの用途において、タービンまたは圧縮機には寿命の制限がない。金属を使用した現在の機械においては、低温のガスを内部に流すことによってブレードを冷却する必要があり、これは効率を損なってしまう。にも拘らず、ブレードを動かすと、クリープ減少のために寿命が制限される。
【０１２９】
図１は、互いに異なる第１ヒータ５ａと第２ヒータ５ｂを示すが、一つのヒータを使用可能であり、ダクトの構成は適宜合わせて変更される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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