(57)【要約】  本発明は、地域熱供給（４０）のために熱（Ｑｏｕｔ）を供給する方法及び装置に関する。まず、地熱源（４１）から第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の温水が採収される（２０）。高温ヒートポンプ（４３）が作動され、これが地熱源（４１）に熱技術的に接続されることにより、温水が高温ヒートポンプ（４３）の蒸発器（４３１）に導通され、その熱（Ｑｉｎ）が蒸発器（４３１）へ熱伝達される。こうして、高温ヒートポンプ（４３）の凝縮器（４３３）によって、より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）が地域熱供給網に供給される。高温ヒートポンプ（４３）として、好ましくは高温圧縮式ヒートポンプが用いられる。達成される第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）は１００℃を上回る。
2016525669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地域熱供給（４０）のために熱（Ｑｏｕｔ）を供給する方法であって、
地熱源（４１）からの第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）での熱供給のために温水を採収するステップ（２０）と、
高温ヒートポンプ（４３）を準備して作動させるステップと、
前記地熱源（４１）を前記高温ヒートポンプ（４３）に熱技術的に接続するステップと、
前記温水を、前記高温ヒートポンプ（４３）の蒸発器（４３１）に導通させるステップと、
前記温水の前記第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の熱（Ｑｉｎ）を前記高温ヒートポンプ（４３）の前記蒸発器（４３１）へ熱伝達させるステップと、
前記高温ヒートポンプ（４３）の凝縮器（４３３）によって、より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を供給するステップと
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記高温ヒートポンプ（４３）として高温圧縮式ヒートポンプ（４３）を使用する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）は少なくとも１００℃であり、特に少なくとも１１０℃である、
請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記高温ヒートポンプ（４３）において、フルオロケトン類から成る作業媒体を使用する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記高温ヒートポンプ（４３）において、非毒性の作業媒体を使用する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記高温ヒートポンプ（４３）において、１６０℃超の臨界温度を有する作業媒体を使用する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記温水の前記第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の熱（Ｑｉｎ）、又は、前記高温ヒートポンプ（４３）の前記凝縮器（４３３）からの、前記より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を吸収して蓄積するために、少なくとも１つの蓄熱器（５１，５２）を使用する、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
少なくとも２つの前記高温ヒートポンプ（４３）を直列回路となるように接続する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
地域熱供給網（４０）のために、少なくとも１００℃の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を供給する装置であって、少なくとも、温水採収装置（２０）と高温ヒートポンプ（４３）とを含む、
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記高温ヒートポンプ（４３）は高温圧縮式ヒートポンプ（４３）である、
請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記高温ヒートポンプ（４３）は、フルオロケトン類から成る作業媒体を含む、
請求項９又は１０記載の装置。
【請求項１２】
前記高温ヒートポンプ（４３）は、１６０℃超の臨界温度を有する作業媒体を含む、
請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記温水の前記第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の熱（Ｑｉｎ）、又は、前記高温ヒートポンプ（４３）の前記凝縮器（４３３）からの、前記より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を吸収して蓄積するように構成された少なくとも１つの蓄熱器（５１，５２）が設けられている、
請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも２つの前記高温ヒートポンプ（４３）が直列回路として設けられている、
請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地域熱供給のために熱を供給する方法、及び、地熱源を含む地域熱供給網のシステムに関する。
【０００２】
従来、地域熱供給は主として化石エネルギ担体の燃焼を基礎としてきた。既存の地域熱供給網の多くは、化石燃料を燃焼させて電力を形成するプラントの廃熱を利用している。コージェネレーションシステムＫＷＫによって、燃料のエネルギ容量がほぼ完全に利用される。これに代えて、地域熱供給網を例えばごみ焼却プラントのコージェネレーションシステムに接続することもできる。
【０００３】
環境及び気象保護の観点から、ＣＯ２放出を低減するために、今日及び将来へ向かって、化石エネルギ担体の燃焼は強く低減されるべきである。電力は、今後ますます、風力発電もしくは太陽光発電などの施設によって１次エネルギとして形成されるようになるであろう。この場合、利用可能な廃熱は生じない。
【０００４】
現在多くの地域熱供給網が存在しているので、これらにも継続して熱を供給しなければならない。ただし、こうした熱もなるべくは再生可能エネルギのみに由来すべきである。既存の都市型地域熱供給網の一部は、８００ｋｍを超える熱供給ラインを有しており、年間４ＴＷｈの熱出力を有する。地域熱は、一般家庭及び商工業施設などの個別消費者や種々の公共消費者に供給される。２０１２年には、地域熱の約９０％が、化石エネルギ担体を燃焼させる熱プラントによって形成された。
【０００５】
したがって、熱形成及び電力形成の双方において再生可能エネルギへの転換を達成するには、既存の地域熱供給網を新たな代替熱源へ接続しなければならない。これまで、こうした転換はバイオマスの燃焼によって行われてきたが、これには、存在するバイオマスの収蔵量が非常に小さいという欠点がある。これに代えて、電気抵抗加熱システムを利用する方法もあるが、その効率はきわめて低い。
【０００６】
地域熱供給網のための別の代替熱源として、地熱源が挙げられる。ただし、地理学的かつ地質学的な条件にしたがって、深部掘削を行わないかぎり、地域熱供給網への供給にとって充分な温度の温水源には到達しない。図１には、例えば、ドイツのプレアルプス地方に見られるような一地域の断面が示されている。この場合、温水を導通している石灰岩層は地表面から４０００ｍ下方に存在する。平均海面下１０００ｍから２０００ｍまでの深さでは、支配的な温水温度は約６５℃である。これは、当該温水をそのまま温水槽で利用するには全く充分な温度であるが、熱利用に対しては温度レベルを上昇させる必要がある。ここで、付加的に必要となる熱エネルギは、従来いわゆる燃焼再加熱によって供給されていた。例えば、天然ガスの燃焼熱が利用されているが、将来的にはこれは回避されるべきである。
【０００７】
ゆえに、環境保護の観点から、ＣＯ２放出なしに動作可能であって、純粋に再生可能エネルギに基づく、改善された手段が提案されるべきである。また、とりわけローカルな地熱源を既存の地域熱供給網での熱供給に利用できるようにすることが望ましい。
【０００８】
本発明の基礎とする課題は、請求項１記載の方法及び請求項９記載の装置によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【０００９】
本発明の、地域熱供給のために熱を供給する方法は、次の各方法ステップを含む。まず、地熱源からの第１の温度レベルでの熱供給のために、温水が採収される。ついで、高温ヒートポンプが準備及び作動され、これに地熱源が熱技術的に接続される。続いて、温水が高温ヒートポンプの蒸発器に導通され、温水の第１の温度レベルの熱が高温ヒートポンプの蒸発器へ伝達される。さらに、高温ヒートポンプの凝縮器によって、より高い第２の温度レベル（第１の温度レベルよりも高いレベル）の熱が供給される。
【００１０】
地域熱供給に地熱源を組み合わせ、高温ヒートポンプを介してこれらを適切に接続するという本発明の方法は、熱供給の脱炭素化が保証されるという利点を有する。つまり、地熱源は、ヒートポンプの蒸発器に対する熱源として用いられる。ヒートポンプの凝縮器で、地域熱供給網の消費者への熱供給のための高い温度レベルの熱を形成できる。ここでの消費者は、例えば、公共消費者に加え、住宅建物及び民間消費者並びに商工業消費者を含む、都市もしくは市街地である。
【００１１】
本発明の方法により、いわば、地熱源の熱価値の増幅が保証される。
【００１２】
好ましくは、本発明の方法では、高温ヒートポンプとして高温圧縮式ヒートポンプが使用される。高温圧縮式ヒートポンプは、蒸発器に対する熱源のほか、圧縮器を動作させるための唯一の電気エネルギ源しか要しない。当該電気エネルギ源は、好ましくは、再生可能エネルギからの電力、例えば太陽光発電施設もしくは風力発電施設からの電力によって動作する。
【００１３】
地熱源は、立地及びボーリング深度によっては、地域熱供給にとって充分な高さの温度を有さないことがしばしばある。多数の消費者が生活している都市の近郊もしくは直接の市街地内などでは、任意の距離にある熱源への転換は容易でなく、地理的立地によっては任意の深度のボーリングへの転換も不可能である。また、利用可能な地熱源の熱の温度レベルは６０℃から９５℃程度であることが多いため、夏期の地域熱供給にとっては充分であるかもしれないが、中緯度帯での冬期の地域熱供給にとっては充分でない。この場合、地域熱供給の予備温度として、少なくとも１００℃、通常好ましくは１３０℃程度が必要である。
【００１４】
典型的には、より高い第２の温度レベルは少なくとも１００℃であり、特には少なくとも１１０℃である。例えば、より高い第２の温度レベルは、少なくとも１２０℃、又は、好ましくは少なくとも１３０℃である。
【００１５】
本発明の方法の有利な実施形態では、高温ヒートポンプにおいて、フルオロケトン類から成る作業媒体が使用される。好ましくは、非毒性の作業媒体、特には環境に優しい安全な作業媒体が専ら使用される。好ましくは、高温ヒートポンプでは、１４０℃超の臨界温度、好ましくは１５０℃超の臨界温度、特には１６０℃超の臨界温度を有する作業媒体が使用される。環境に優しい非毒性かつ安全な作業媒体は、高い臨界温度などの固有の熱力学特性を特徴としていることが多い。使用される作業媒体の臨界温度が高いことにより、ヒートポンププロセスを臨界温度の下方で稼働でき、近似的にアイソサーマルな熱出力を行えるという利点が得られる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、温水がまず第１の熱交換器に導通され、ついで冷却された温水が再注入管路を介して鉱物層へ戻される。第１の熱交換器には熱輸送回路が接続されており、この熱輸送回路では、熱輸送媒体、好ましくは水によって、熱が輸送される。熱交換器から、２つの管路を介して、地熱源の温度より僅かに低い温度レベルの熱が、一方では高温ヒートポンプの蒸発器へ、他方では高温ヒートポンプの凝縮器へ供給される。高温ヒートポンプを用いて、熱輸送媒体は、地域熱供給網に必要な予備温度へ調整される。例えば、熱輸送媒体が再び第１の熱交換器に達する前に、地域熱供給網からのリターン流やヒートポンプの蒸発器からのリターン流を再収集して混合することができる。地域熱供給網への熱輸送媒体のリターン温度は通常４５℃以下である。蒸発器後方のリターン温度は、地熱源の温度に依存するものの、これよりも格段に高いので、地域熱供給網のリターン流と混合すれば、熱輸送媒体が第１の熱交換器を介して地熱源からの熱を再び吸収するまで、高い混合温度を調整できる。
【００１７】
本発明の方法の特に好ましい別の実施形態によれば、温水の第１の温度レベルの熱、又は、高温ヒートポンプの凝縮器からの、より高い第２の温度レベルの熱を吸収して蓄積するために、少なくとも１つの蓄熱器が使用される。このために、第１の熱交換器を備えた少なくとも１つの蓄熱器が、地熱源の近傍、又は、ヒートポンプの凝縮器の後方に配置される。これにより、各ヒートポンプが地熱源の温度レベルの蓄熱器へアクセス可能となるか、又は、地域熱供給網がヒートポンプの出力温度レベルの蓄熱器へアクセス可能となる。本発明の方法により、電力需要と熱需要、又は、電力調達と熱調達を時間的に分離できるという利点が得られる。つまり、一方では、再生可能エネルギが多重に使用されているような網における電力の超過供給分を、第２の温度レベルの蓄熱器の充電に利用できる（パワー‐ツー‐ヒート方式）。これに代えて、電力需要が高まった場合に、地域熱供給網が蓄熱器にアクセスしている期間中、ヒートポンプの動作を中止できる。当該期間中は、後の時点でヒートポンプがアクセスできるよう、地熱源から得られる熱が別の蓄熱器に蓄積される（デマンドサイドマネジメント）。
【００１８】
例えば地理的条件に基づいてきわめて低い温水温度しか得られない地点では、地熱源の熱価値の増幅のために、例えば２つのヒートポンプを接続することができる。この場合、２つのヒートポンプは、好ましくは、充分な高さの温度を形成するため、直列回路となるように接続される。
【００１９】
本発明の、地域熱供給網のために少なくとも１００℃の温度レベルの熱を供給する装置は、少なくとも、温水採収装置と高温ヒートポンプとを含む。特には、少なくとも１００℃、好ましくは少なくとも１２０℃、特には少なくとも１３０℃の温度レベルの熱が形成される。地熱源及び地域熱供給網を含むこうした高温ヒートポンプシステムは、熱供給の脱炭素化を保証でき、ＣＯ２放出量及び化石エネルギ担体の輸入依存を低減できるという利点を有する。
【００２０】
典型的には、高温ヒートポンプは、高温圧縮式ヒートポンプである。
【００２１】
好ましくは、高温ヒートポンプは、フルオロケトン類から成る作業媒体を含む。典型的には、高温ヒートポンプでは、１４０℃超の臨界温度、好ましくは１５０℃超の臨界温度、特には１６０℃超の臨界温度を有する作業媒体が使用される。好ましくは、高温ヒートポンプは、環境に優しく非毒性かつ安全な作業媒体を含む。
【００２２】
高温ヒートポンプの圧縮器は、典型的には、再生可能エネルギ源、例えば太陽光発電施設もしくは風力発電施設からの電気エネルギによって作動される。
【００２３】
本発明の特に好ましい実施形態では、地域熱供給網のために熱を供給する装置は、温水の第１の温度レベルの熱、又は、高温ヒートポンプの凝縮器からの、より高い第２の温度レベルの熱を吸収して蓄積するように構成された少なくとも１つの蓄熱器を含む。好ましくは、温水の第１の温度レベルの熱を吸収して蓄積する第１の蓄熱器と、高温ヒートポンプの凝縮器からの、より高い第２の温度レベルの熱を吸収して蓄積する第２の蓄熱器とが設けられる。第１の蓄熱器は、ヒートポンプの蒸発器から当該第１の蓄熱器へのアクセスが可能となるよう、地熱源とヒートポンプとの間に配置される。第２の蓄熱器は典型的には高温ヒートポンプの凝縮器と地域熱供給網もしくは地域熱の消費者との間に配置され、これにより、高温ヒートポンプの凝縮器から熱を得て、地域熱供給網へ供給することができる。
【００２４】
本発明の別の有利な実施形態では、少なくとも２つの高温ヒートポンプが、直列回路として、つまり流れの前後に連結して配置され、低温の温水源からの熱価値が地域熱供給に適した温度レベルに達するまで増幅されるように構成される。
【００２５】
本発明の実施形態を、添付の図１−図９の例に即して、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】例としての一地域の南北方向の断面図である。
【図２】吸収式ヒートポンプを備えた地熱プラントのプロセススキーマを示す図である。
【図３】吸収式ヒートポンプのプロセススキーマを示す図である。
【図４】圧縮式ヒートポンプの温度上昇のプロセススキーマを示す図である。
【図５】圧縮式ヒートポンプ及び蓄熱器による温度上昇のプロセススキーマを示す図である。
【図６】高温ヒートポンプのＣＯＰ（コエフィシエント・オブ・パフォーマンス、成績係数）と温度との関係を表すグラフである。
【図７】メガワット出力領域でのポテンシャルを推定するための、ＣＯＰと温度との関係を表すグラフである。
【図８】臨界温度を超えるヒートポンププロセスの温度とエントロピーとの関係を表すグラフである。
【図９】臨界温度を下回るヒートポンププロセスの温度とエントロピーとの関係を表すグラフである。
【００２７】
図１には、導入部分で言及したように、例えばドイツのプレアルプス地方にあるような一地域の南北断面が示されている。この場合、温水を導通する石灰岩層Ｍは北から南へ下がっているので、この層に達するには南へ行くにしたがってボーリング深度を深くしなければならない。北側地域での温水温度Ｔ１は約３５℃であり、石灰岩層Ｍがきわめて深い南側地域では温水温度Ｔ４は約１４０℃である。その間、平均海面下１０００ｍから３０００ｍまでの深度のボーリングにおいては、温水温度Ｔ２／Ｔ３は約６５℃から１００℃となる。新たな地域熱供給網４０に対して地熱を利用したい場合、この断面図から、温度レベルを付加的に上昇させないと地域熱供給に利用可能な温度が得られないという問題があることがわかる。典型的には、地域熱供給のフローライン２７の温度Ｔ７は７０℃から１１０℃程度であるが、季節によってはさらに高くなる。冬期には、地域熱供給のフローライン２７の温度Ｔ７は９０℃から１８０℃程度であるのが好ましい。通常、地域熱供給のフローライン２７の温度Ｔ７は１３０℃程度あれば充分である。
【００２８】
図２には、地域熱供給網４０で地熱を利用するための、従来技術から公知の方法スキーマが示されている。温水は、温水管２０を介して例えば２３００ｍの深さの鉱物層から採収され、温度Ｔ２は約６５℃である。ついで、当該温水は例えば熱交換器２２へ供給され、この熱交換器２２により、約６５℃の温度Ｔ２の温水の一部が直接に地域熱供給のフローライン２７へ送られ、約４０℃から４５℃の温度レベルＴ５へ冷却された温水の一部が温水槽２５へ供給される。これは、公知でありかつきわめて好まれている熱源の物質的利用である。ここで使用される熱交換器２２は例えば約２ＭＷの出力領域で動作する。熱交換器２２はさらにヒートポンプ２３への流体接続部を有しているが、従来技術ではこれまで吸収式ヒートポンプ２３の使用しか知られていない。吸収式ヒートポンプ２３は例えば約７ＭＷの出力領域で動作する。吸収式ヒートポンプ２３は、この場合、再加熱手段である。これに代えて、再加熱のために、例えばバイオマスもしくは天然ガスの燃焼又は電気再加熱も使用可能である。ヒートポンプ２３は、地域熱供給のフローライン２７への流れと、消費者２６への大幅に冷えた水の流れとを有する。冷えた水は、例えば約２０℃の温度Ｔ６を有し、物質的利用、例えば家庭での飲水利用のために供給される。消費者２６へのこうした導出は、例えば、管を温水槽２５へ流体接続することによって行われる。また、ヒートポンプ２３は、例えば地域熱供給のリターンライン２８から供給される冷水用の回路も有している。さらに、図２のスキーマには天然ガス用の燃焼ボイラ２４が示されている。この燃焼ボイラ２４は、例えば１０ＭＷ領域で動作し、ピーク負荷の補償が可能であって、地域熱供給のフローライン２７での再加熱に必須の要素である。このようにして実現される地域熱供給のフローライン２７の温度Ｔ７は、この場合、７０℃から１１０℃までの間である。ただし、多くの地域熱供給網４０で冬期の動作に必要となる１３０℃の温度は、このようなタイプの地熱再加熱機構によっては達成できない。熱取り出し部２９の後方には、住宅建物、種々の公共消費者、また選択的に商工業消費者Ｉ等を含む都市Ｓの消費者４０への管が示されている。なお、地域熱供給のリターンライン２８は、通常、４０℃から４５℃までの温度レベルＴ８を有する。
【００２９】
これに加えて、図３には、例えば図２で使用されている吸収式ヒートポンプ２３を動作させる方法のスキーマが示されている。ここでは、吸収式ヒートポンプ２３の蒸発器３１への熱供給Ｑｉｎと凝縮器３８での熱放出Ｑｏｕｔとが行われている。矢印で冷却剤の循環回路が示されている。回路の左側では冷却剤Ｋ１は液体であり、蒸発器３１の下流では冷却剤Ｋｇは蒸気である。この状態で冷却剤は熱圧縮器３７に達する。回路では、蒸気状の冷却剤Ｋｇがまず吸収器３２へ輸送され、ついでポンプ３３を介してさらに再生器３４へ圧送される。再生器３４と吸収器３２との間のリターン接続部には圧力制限弁３６が設けられている。再生器３４は天然ガスの燃焼によって加熱され、冷却剤Ｋｇは蒸気状態で再生器３４を出る。熱圧縮器３７の下流で冷却剤Ｋｇは凝縮器３８に達し、そこで熱放出Ｑｏｕｔが行われる。凝縮器３８から蒸発器３１へのリターン接続部にも圧力制限弁３９が設けられている。こうしたタイプの公知のヒートポンプシステム２３、特に、従来公知の圧縮式ヒートポンプは、９０℃を上回る温度が確実に得られるようには構成されていない。１００℃まで達成可能なプロトタイプもないわけではないが、これらは臨界温度を超えるプロセスを基礎としており、しかも市販入手できない要素である。使用されるヒートポンプの大部分は、約５５℃から６０℃までの低温領域の温度と約７０℃から７５℃までの高温領域の温度とを送出する。
【００３０】
図４，図５には、圧縮式ヒートポンプ４３を用いた地熱源４１の再加熱コンセプトが示されている。この場合、ヒートポンプ４３はそれぞれ、地熱源４１と地域熱供給網４０との間の接続要素として機能している。このために、ヒートポンプ４３は、地熱源４１及び地域熱供給網４０の双方に熱技術的に接続されている：地熱源４１から採収される温水は例えば９３℃の温度Ｔ４１を有する。採収された温水は温水輸送管４１１を介して熱交換器４２へ供給される。熱交換器４２の流出口は再注入管４１２として構成されており、冷えた水が鉱物層Ｇの深部へ戻される。熱交換器４２を介して、別の回路に温水の熱が供給される。熱輸送媒体、特に水は、第１の供給管４２１を介して高温ヒートポンプ４３の蒸発器４３１へ導通され、第２の供給管４２２を介して高温ヒートポンプ４３の凝縮器４３３へ導通される。蒸発器４３１からの流出口には、既に低下した、例えば約８０℃の温度Ｔ４３１の水が流れる。蒸発器４３１へのフローラインの温度Ｔ４２は約９０℃である。蒸発器４３１からのリターンラインは、特には、地域熱供給網４０のリターンライン４８に接続されている。この場合、地域熱供給網４０のリターン温度Ｔ４０は、最高で４５℃程度である。統合されたリターンラインは、再び熱交換器４２に達する。
【００３１】
蒸発器４３１を介して、地熱源４１から得られた熱Ｑｉｎがヒートポンプ４３へ送られる。ヒートポンプ４３は、蒸発器４３１及び凝縮器４３３のほか、圧縮器４３２及び膨張弁４３４を含む。高温ヒートポンプ４３において特に適切な作業媒体を使用することにより、凝縮器４３３で温度レベルＴ４３が１３０℃程度の熱Ｑｏｕｔを放出でき、この熱を地域熱供給網４０の回路を介して種々の消費者で利用できるようになる。
【００３２】
高温ヒートポンプ４３の圧縮器４３２は、本発明によれば再生可能エネルギ源から得られた電力で作動される。したがって、地熱源４１及び温水輸送管４１１及び高温ヒートポンプ４３及び地域熱供給網４０から成るシステム全体がいわば脱炭素化され、地熱を利用した地域熱供給網４０への確実な熱供給が保証される。
【００３３】
図５には、図４に類似したコンセプトに蓄熱器５１，５２が追加された方法のスキーマが示されている。第１の蓄熱器５１は地熱源４１とヒートポンプ４３を備えた地域熱供給網４０のシステムとの間のバッファとして用いられる。第１の蓄熱器５１には温度レベルＴ４１の約９０℃の熱が蓄積され、必要に応じて高温ヒートポンプ４３へ放出される。
【００３４】
第２の蓄熱器５２は高温ヒートポンプ４３と地域熱供給網４０との間に配置されており、かつ、約１３０℃の温度レベルＴ４３の熱が一時的に蓄積され、必要に応じて地域熱供給のフローライン４７へ放出されるように構成されている。当該蓄熱手段により、顧客の電力需要もしくは熱需要と可能な熱調達とを時間的に分離できる。すなわち、地域熱供給網４０からの要求熱量が低下した場合、さしあたり、損失が生じないよう、第２の蓄熱器５２で熱が一時的に蓄積される。これによりさらに、負の制御エネルギを調達するオプション（パワー‐ツー‐ヒート）が提供される：つまり、電力形成の変動の補償への寄与が実現される。これらは特には、風力発電施設や太陽光発電施設などの再生可能な電力源が多重に使用されている場合に、再生可能に形成された超過出力を電力網から受容する手段である。当該超過出力は、迅速安全かつ低コストに補償でき、後の任意の時点で、蓄熱器５２からの熱の形態で地域熱供給網４０に供給可能である。
【００３５】
同様に、制限された時間だけ、ヒートポンプ４３を作動させるための網からの電力の引き出しを中止して、とりあえず蓄熱器５２を空にすることもできる（デマンドサイドマネジメント）。このようにすれば、熱供給とヒートポンプ４３の作動との時間的分離が保証される。ヒートポンプ４３が作動されない時間中は、地熱源４１の熱を第１の蓄熱器５１へ保存しておくことができる。
【００３６】
図６，図７には、ＣＯＰ‐Ｔグラフが示されている。ＣＯＰとは、コエフィシエント・オブ・パフォーマンスの略であり、ヒートポンプ４３の成績係数であって、電気駆動力当たりの熱出力、すなわち、
ＣＯＰ＝熱出力／電気駆動力
を表す。
【００３７】
グラフに示されている温度ＴＦＷは、ヒートポンプ４３から地域熱供給網４０へ放出される熱の温度である。ここには、Ｎｏｖｅｃ６４９（ドデカフルオロ‐２‐メチルペンタン‐３‐ワン）などの作業媒体で作動される高温圧縮式ヒートポンプ４３の測定値が記されている。熱源温度ＴＱもしくは蒸発温度は４０℃から９０℃までの間で変化する。高温圧縮式ヒートポンプ４３の圧縮器出力に応じて、３０Ｋから６０Ｋまでの種々の温度幅ＴＨが実現される。温度幅ＴＨが増大するにつれ、ヒートポンプ４３の成績係数ＣＯＰは低下する。温度幅ＴＨが約５０Ｋで、成績係数ＣＯＰが約３．８であるとき、高温圧縮式ヒートポンプ４３では、地域熱供給網４０で必要となる１３０℃の温度レベルＴ４３の熱が保証される。
【００３８】
図７には、メガワット領域の高温ヒートポンプシステム４３の推定能力グラフが示されている。Ｎｏｖｅｃ６４９での測定値７３は、僅か１０ｋＷの熱出力を有するデモンストレータをベースとして得られたものである。これに代えて、Ｎｏｖｅｃ５２４（デカフルオロ‐３‐メチルブタン‐２‐ワン）を作業媒体として使用することもできる。また、図７のグラフには、カルノー効率にしたがった熱力学的限界値７０も示されている。メガワット出力領域のシステムに対する推定値７１は、カルノー効率の限界値７０の５５％から６５％までである。推定値７１は、大容積で熱損失の小さい、大型の圧縮器を含む大規模なシステムで効率が高くなることから実験によって予測されるような外挿を基礎としている。なお、効率すなわち成績係数ＣＯＰは、熱放出温度ＴＦＷもしくはヒートポンプの凝縮温度が上昇するほど低下する。図７に示されている値は、熱源温度８０℃に相当する。
【００３９】
図８，図９には、温度‐エントロピーグラフが示されている。ここから、従来技術の公知のヒートポンプでしばしば発生するような、９０℃までの熱出力しか達成できない、臨界温度を超えるヒートポンププロセス（トランスクリティカルなプロセス）８０と、臨界温度を下回るヒートポンププロセス（サブクリティカルなプロセス）９０との差が明らかである。臨界温度を超えるプロセス８０によれば、達成される温度レベルＴ７での熱放出Ｑｏｕｔを一定に維持できない。グラフには、それぞれの臨界点ＫＰを有する作業媒体の相境界とヒートポンププロセス８０，９０とが示されている。図示の臨界温度を超えるプロセス８０では、地域熱供給のフローライン２７への放出時に達する温度Ｔ７が臨界点ＫＰを大きく上回っている。
【００４０】
本発明で使用される高温圧縮式ヒートポンプ４３の場合、フロー温度Ｔ４３すなわち地域熱供給網４０で達成可能な最高温水温度ＴＨ２Ｏは、作業媒体の臨界点ＫＰをはるかに下回る。なぜなら、好ましくは、きわめて高い臨界温度を有する作業媒体が使用されるからである。こうしてヒートポンププロセス９０が臨界温度を下回る領域にあることにより、例えば１３０℃程度の高い温度レベルＴ４３での近似的にアイソサーマルな熱放出が保証される。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年8月11日(2015.8.11)
【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】
地域熱供給（４０）のために熱（Ｑｏｕｔ）を供給する方法であって、
地熱源（４１）からの第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）での熱供給のために温水を採収するステップ（２０）と、
高温ヒートポンプ（４３）を準備して作動させるステップと、
前記地熱源（４１）を前記高温ヒートポンプ（４３）に熱技術的に接続するステップと、
前記温水を、熱輸送媒体への熱伝達のための熱交換器に導通し、これにより、加熱された熱輸送媒体を形成するステップと、
前記加熱された熱輸送媒体を、前記高温ヒートポンプ（４３）の蒸発器（４３１）と凝縮器（４３３）とへ供給するステップと、
加熱されて前記蒸発器（４３１）に供給された熱輸送媒体の前記第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の熱（Ｑｉｎ）を、前記高温ヒートポンプ（４３）の前記蒸発器（４３１）へ熱伝達させるステップと、
加熱されて該凝縮器（４３３）へ供給された熱輸送媒体へ、前記高温ヒートポンプ（４３）の前記凝縮器（４３３）により、少なくとも１００℃の、より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を供給するステップと
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記高温ヒートポンプ（４３）として高温圧縮式ヒートポンプ（４３）を使用する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）は、少なくとも１１０℃である、
請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記高温ヒートポンプ（４３）において、フルオロケトン類から成る作業媒体を使用する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記高温ヒートポンプ（４３）において、非毒性の作業媒体を使用する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記高温ヒートポンプ（４３）において、１６０℃超の臨界温度を有する作業媒体を使用する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記温水の前記第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の熱（Ｑｉｎ）、又は、前記高温ヒートポンプ（４３）の前記凝縮器（４３３）からの、前記より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を吸収して蓄積するために、少なくとも１つの蓄熱器（５１，５２）を使用する、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
少なくとも２つの前記高温ヒートポンプ（４３）を直列回路となるように接続する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
地域熱供給網（４０）のために、少なくとも１００℃の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を供給する装置であって、少なくとも、
温水採収装置（２０）と、
蒸発器（４３１）及び凝縮器（４３３）を備えた高温ヒートポンプ（４３）と、
採収された温水の熱を熱輸送媒体へ伝達させて、加熱された熱輸送媒体を形成する、熱交換器（４２）と、
前記採収された温水を前記熱交換器（４２）へ供給するための温水輸送管（４１１）と、
前記加熱された熱輸送媒体を前記熱交換器（４２）から前記蒸発器（４３１）と前記凝縮器（４３３）とへ導通させるための第１の供給管（４２１）及び第２の供給管（４２２）と
を含み、
前記凝縮器（４３３）は、加熱されて該凝縮器（４３３）に供給される熱輸送媒体へ、熱（Ｑｏｕｔ）を供給するために用いられる、
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記高温ヒートポンプ（４３）は高温圧縮式ヒートポンプ（４３）である、
請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記高温ヒートポンプ（４３）は、フルオロケトン類から成る作業媒体を含む、
請求項９又は１０記載の装置。
【請求項１２】
前記高温ヒートポンプ（４３）は、１６０℃超の臨界温度を有する作業媒体を含む、
請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記温水の前記第１の温度レベル（Ｔ４１，Ｔ４２）の熱（Ｑｉｎ）、又は、前記高温ヒートポンプ（４３）の前記凝縮器（４３３）からの、前記より高い第２の温度レベル（Ｔ４３，Ｔ４７）の熱（Ｑｏｕｔ）を吸収して蓄積するように構成された少なくとも１つの蓄熱器（５１，５２）が設けられている、
請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも２つの前記高温ヒートポンプ（４３）が直列回路として設けられている、
請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置。
【国際調査報告】
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