JPH0322557B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 開示技術は、民生用、産業用の電力などのエネ
ルギーの使用のオフピーク時にエネルギーを蓄え
ておいて必要時に使用するようにした技術分野に
属する。

而して、この発明は、アンモニヤガスや炭酸ガ
スなどの流体のポリトロープ圧縮、冷却液化など
エンタルピ、膨張、吸熱ガス化のプロセスを辿る
圧縮式ヒートポンプサイクルを用いてのオフピー
ク時に余剰電力などのエネルギーの貯蔵を行うシ
ステムに関する発明であり、特に、電気エネルギ
ー使用におけるオフピーク時に、ピーク時に対す
る設備上の余剰エネルギーをアンモニヤガスなど
の低圧ガスをしてコンプレツサなどにより圧縮高
圧化させて、その後、海水などの実質無人蔵の冷
熱エネルギーを用いて冷却液化し、これを高圧液
化ガスとして貯蔵しておき、エネルギー使用のピ
ーク時には、該高圧液化ガスを膨張弁などを介し
てジユールトムソン効果により低温低圧の液、お
よび、ガスの状態にし、当該プロセスにて発生す
る冷熱エネルギーを冷凍庫などに活用してエネル
ギーの回収を図り、あるいは、ランキンサイクル
と組合わせて、該ランキンサイクルの冷却液化工
程の冷熱エネルギー源として活用し、而して、冷
熱エネルギーを放出し、ガス化した該流体をアン
モニヤガス錯体などのガス吸収媒体に吸収、また
は、吸着させて容量を小さくして貯蔵し、再び、
上記オフピーク時に、該ガス吸収媒体からこれに
吸収、または、吸着された該ガスを低圧で分離し
て再び上記コンプレツサなどに送入し、再び圧縮
高圧化させて反復させるようにしたシステムに係
る発明である。

〔従来技術〕

周知の如く、民生活動にしろ、産業活動にしろ
エネルギー使用は不可欠であるが、いずれにして
も電力や燃料ガスなどのエネルギーの需要は経時
的に一定ではなく、大きな変動としては季節的な
要素があり、小さな変動としては昼夜などの時間
的要素によるピークとオフピークがある。

さりながら、当然のこととしてエネルギー供給
サイドでは、ピーク時の需要を基準にして設備計
画を立てており、したがつて、オフピーク時には
負荷を低下させたり、稼働停止を行つて供給のバ
ランスを図るようにしているが、必然的に設備上
稼働効率が悪く、又、低負荷運転時には設備のエ
ネルギー効率が劣化し、更に、投資効率が悪いと
いうことを不可避的な前提条件としている。

かかるオフピーク時の稼働低下は、社会資本か
ら見て極めてマイナスであるとともに、エネルギ
ー経済から見ても甚だしく無視できないものであ
る。

これに対処するに、オフピーク時においてもピ
ーク時と同様、あるいは、これに近似した設備稼
働を行つてオフピーク時の余剰エネルギーを蓄え
ておき、ピーク時の所望に取出して使用するよう
なエネルギー貯蔵システムが開発研究されるよう
になつてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

例えば、夜間に余剰電力を利用して水をダムに
汲上げておく揚水ダムや、大容量の地下タンクに
夜間余剰膨張タービンに送入して空気を圧縮して
おき、昼間のピーク時に該圧縮空気で発電を行う
システムやフライホイールの慣性力を利用して余
剰電力でフライホイールを回転させておいたり、
あるいは、超電導によるエネルギー貯蔵システム
が研究されている。

このうち、揚水ダムや空気圧電力貯蔵などが実
用化されてはいるが、商業化されてるのは揚水ダ
ム方式のみであり、フライホイール方式や超電導
方式は研究段階であり、将来における実用化には
相当の経時的投資と、尚、20年間前後の研究期間
が必要とされて現実の開発には間に合わないもの
である。

而して、揚水ダムにおいても、圧縮空気エネル
ギー貯蔵にしても、立地条件が大きな支障となる
不具合があり、また、効率も劣るものである。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、上述従来技術に基づくエネ
ルギー供給施設のオフピーク時の低負荷運転を緩
和し、該エネルギー供給施設の平均容量運転を図
ろうとするものであり、オフピーク時に余剰エネ
ルギーを貯蔵し、ピーク時に用いることができる
ようにし、而も、その効率はオフピーク時にイン
プツトしたエネルギーよりも大量の冷熱エネルギ
ーを回収利用し得るようにし、あるいは、これを
ランキンサイクルと組合わせる場合には、従来の
揚水ポンプなどに比べてより高効率で回転エネル
ギーを回収し得るようにし、その上、小規模設備
で良いためプラントの立地条件の制約がほとんど
なく、低コストで行うことができ、現在段階での
技術レベルを充分に利用することができるように
してエネルギー産業における経済的利用分野に益
する優れた冷熱エネルギー貯蔵システムを提供せ
んとするものである。

〔問題点を解決するための手段・作用〕

上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とす
るこの発明の構成は、前述問題点を解決するため
に設計された電力などのエネルギー供給におい
て、オフピーク時には圧縮式ヒートポンプサイク
ルに用いるアンモニヤガスなどの流体を、該オフ
ピーク時の余剰エネルギーをコンプレツサなどの
圧縮機のモータなどに投入することにより、当該
アンモニヤガスなどの流体低圧ガスを圧縮して高
温高圧化した後に、該高温高圧化ガスの温度を実
質無制限利用可能な海水やLNGの放出冷熱など
を用い、冷却液化して高圧液化ガスとして高圧タ
ンクなどに貯蔵しておき、エネルギー需要側のピ
ーク時には、該高温高圧液化ガスを膨張弁などを
介してジユールトムソン効果により低温低圧の
液、および、ガスにし、該低温低圧の液ガス状態
から低圧ガスになる間の冷熱エネルギーを冷凍庫
などの外部施設に活用利用するなどして該高圧液
化ガス貯蔵エネルギーの有効利用を行い、而して
当該プロセスにおいてエンタルピを増大してガス
化した流体を、圧力及び温度操作により昇温昇圧
されたアンモニヤ錯体などのガス吸収媒体に海
水、大気などの冷媒に放熱裡に吸収させ、ガス化
によつて一旦増大した体積を縮少するようにした
後に貯蔵するようにし、オフピーク時にはアンモ
ニアガスなどを吸収した該ガス吸収媒体を膨張弁
により低温低圧状態にした上で、海水、大気、太
陽熱、産業廃熱、スチームなどで加熱して吸収さ
れていたアンモニアガスなどを効率よく分離して
取出し、これを上記コンプレツサなどに導き、再
び高温高圧化させるようにして圧縮式ヒートポン
プサイクルを辿るようにして、オプピーク時のエ
ネルギー貯蔵をピーク時に有効再利用するように
した技術的手段を講じたものである。

〔実施例−構成〕

次に、この発明の実施例を図面に従つて説明す
るば以下の通りである。

第１，２図に示す実施例において、Ａはこの発
明の要旨を成す冷熱エネルギー貯蔵システムであ
り、第１図に示すように、配管系によりクローズ
ドにされており、該クローズドシステムは第２図
に示す横軸エンタルピ−ｉ、縦軸圧力Ｐの周知の
圧縮式ヒートポンプサイクルイ，ロ，ハ，ニ，ホ
を作動流体が辿るようにされており、その作動流
体のガスは、当該実施例においてはアンモニヤ
（NH₃）を用いており、上述した如く、例えば、
電力などのエネルギーのオフピーク時において、
後述するようにガス放出器においてガス吸収媒体
から低温低圧状態で分離されたアンモニヤガス(イ)
は、所定のクリーナー１を通つてオフピーク時の
余剰エネルギーが投入されて稼働するコンプレツ
サ２により圧縮高圧化されて昇温され、高温高圧
ガス(ロ)になる。

この時、コンプレツサ２に供給されるアンモニ
ヤガスは、例えば、10℃であり、圧力は１Kg／cm²
Ｇのガスであり、コンプレツサ２により高温高圧
化された状態では、150℃強で圧力は15Kg／cm²Ｇ
のガスとされている。

尚、当該態様においては、コンプレツサ２を１
段に示しているが、条件による設計で、例えば、
コンプレツサ２の出力圧力が１段では低い場合
は、インタークーラーやプレクーラーなど適宜の
手段を併用して複段のコンプレツサを通過させて
も良い。

而して、このように得られた高温高圧ガスのア
ンモニヤガスは、ついで、実質的に無制限に利用
し得る海水や大気などを用いてコンデンサ（熱交
換器）３により冷却して液化する。

而して、当該コンデンサ３による冷却により液
化したガスは、35℃であり、圧力は15Kg／cm²Ｇの
液(ハ)となつている。

そして、このように高圧液化したアンモニヤガ
スを貯蔵タンク４に高圧貯蔵の態様で貯蔵する。

したがつて、この実施例では、該貯蔵タンク４
でのエネルギー貯蔵態様は上述の如く、常温高圧
貯蔵であるために、時間、日数、月数、年数など
に影響されない経時的安定貯蔵が行われ得るもの
であるが、流体の種類によつては高温高圧貯蔵、
あるいは、低温高圧貯蔵の態様もあり、所定の断
熱を施した高圧タンクを必要とする。勿論、当該
貯蔵はオフピーク時において行われるものであ
る。

而して、電力使用ピーク時には該貯蔵タンク４
に貯蔵されていた液化ガスのアンモニヤガス(ハ)
は、膨張弁５を介して膨張され、低温低圧の液、
または、液とガスの混合相のアンモニヤガス(ニ)と
なり、該低温低圧の液、または、液とガスが全量
低圧ガス(ホ)に気化するまでの冷熱エネルギーが冷
熱回収利用装置６に供給され、該冷熱回収利用装
置６において、例えば、冷凍庫などの作動流体ガ
スと熱交換して該冷凍庫などに冷熱エネルギーを
供給し、上記貯蔵タンク４に貯蔵されていたオフ
ピーク時の余剰エネルギーが初めて有効利用さ
れ、したがつて、結果的に余剰エネルギーの投入
の有効再利用が行われる。

而して、該膨張弁５によつて低温低圧化された
アンモニヤガス(ニ)は、−９℃で、圧力は２Kg／cm²
Ｇの液及びガスであり、冷熱回収利用装置６にお
いて冷熱エネルギーを供給したアンモニヤガス(ホ)
は０℃〜10℃に昇温し、圧力は２Kg／cm²Ｇの低圧
アンモニアガスとなつている。したがつて、エン
タルピ的には第２図のニからホに至る間のエンタ
ルピ変化量に相当する−９℃から０℃〜10℃の温
度の冷熱エネルギーが冷凍庫などに有効利用して
回収されたことになる。

尚、該冷熱回収利用装置６での冷熱エネルギー
の回収は、上述のように、冷凍庫などに直接活用
したり、熱電発電素子の低温側に投入して適宜電
気や仕事などのエネルギーの形で取出すことは可
能である。

したがつて、エネルギー貯蔵態様として貯蔵タ
ンク４に貯蔵された液化アンモニヤガスは、該冷
熱回収利用設備６を通過した後、０℃〜10℃の低
圧のガス体に戻つており、したがつて、液化状態
からガス化状態のアンモニヤガスの体積が当該実
施例のアンモニヤの場合、300〜400倍と増大して
おり、作動流体として取り扱うには不適当であ
る。したがつて、これに対処するに、この発明に
おいては冷熱回収利用設備６からの低圧アンモニ
ヤガス(ホ)を、ガス吸収媒体に吸収液化させるなど
して、その体積を縮少して貯蔵化が可能にするよ
うにされている。

即ち、一般に、該ガス化状態のガス状流体に対
するガス吸収媒体としてアンモニヤに対してはア
ンモニヤ錯体、プロパン、ブタン、フレオン、炭
酸ガスなどに対しては、水系ガス吸収媒体（水和
物、水酸化物）や炭酸カリウムなどの液状、また
は、スラリー状のものがある。

上記の低圧アンモニヤガス(ホ)は、ガス吸収媒体
を納めたガス吸収槽７に供給され、当該ガス吸収
槽７へは、次述ガス吸収媒体貯蔵設備１３の液体
アンモニヤ錯体（チオシアン酸アンモニウムな
ど）などのガス吸収媒体が圧力、温度操作により
昇圧、昇温せられた液が送入され、該吸収槽７の
内部において、該ガス吸収媒体のシヤワーに対
し、低圧アンモニアが吸収されるようにする。

当該液体アンモニア錯体は、ほぼ一定温度、一
定圧力下において冷熱源に対する放熱を行いなが
ら、低圧アンモニアガスを吸収して、液体状態と
するが、温度操作によつて予め昇温してあるた
め、放熱対象の冷却源は比較的温度の高いもので
もよく、海水や空気などにすることができる。ま
た、圧力操作によつて予め圧力を高めにしてある
ため、低圧の場合よりアンモニアガスの吸収量は
多くなり、比較的少量の液体アンモニア錯体のガ
ス吸収媒体で、所定量の低圧アンモニアガス(ホ)を
吸収し液化し得る。この際、低圧アンモニアガス
(ホ)と液体アンモニア錯体の圧力レベルを調和させ
るために、冷熱回収利用装置６とガス吸収槽７の
中間にコンプレツサ２ａを介在させてもよい。

したがつて、該ガス吸収槽７でガス吸収媒体に
吸収されて体積が縮少されたアンモニアガスは貯
蔵や配管輸送に有利な形態に変えられたことにな
る。

そして、該ガス吸収槽７でガス吸収媒体に吸収
されたアンモニアガスは、ポンプ８を介して熱交
換器１６に送出され、後述する如く、ガス吸収媒
体貯蔵設備１３からガス吸収槽７へ送給されるガ
ス吸収媒体と熱交換してこれを昇温し、自らは冷
却され、そののち、ガス吸収媒体貯蔵設備９に送
給されて貯蔵体として貯蔵され、次のオフピーク
時に備えることになる。

このようにして、予め貯えた余剰エネルギーを
電力使用ピーク時に冷熱エネルギーとして回収し
た状態から、電力使用が次のオフピークに移行す
ると、該ガス吸収媒体貯蔵設備９に貯蔵されてい
たアンモニアを吸収したガス吸収媒体は、適宜ポ
ンプなどによりガス放出槽１１に供給されるが、
その際に、ガス放出槽１１の手前で膨張弁１０に
より低圧にされ吸収していたアンモニアガスを一
部放出するとともに、低温化し、該低温化したガ
ス吸収媒体はガス吸収槽１１の内部で外部熱源に
より加熱されてアンモニアガス(イ)を放出する。

ガス吸収媒体が膨張弁１１による圧力操作で予
め低温化しているために、加熱用外部熱源は比較
的低温のものでもよく、例えば、安価な海水、大
気、太陽熱、工場廃熱など選択の幅が広くなる。

発生したアンモニアガス(イ)はねクリーナ１を通
り再び前記のコンプレツサ２に供給され、第２図
に示すような圧縮式ヒートポンプサイクルイ，
ロ，ハ，ニ，ホを辿ることになる。

しかして、該ガス放出槽１１において分離され
たアンモニア錯体などのガス吸収媒体は、ポンプ
１２を介してガス分離後の吸収媒体貯蔵設備１３
に貯蔵され、次の電力ピーク時の冷熱回収時に備
えるが、次の冷熱回収時には該ガス吸収媒体を圧
力操作としてポンプ１４で所定圧まで昇圧し、温
度操作として熱交換器１６に供給し、所定温まで
昇温した上で、ガス吸収槽７に再度シヤワー状に
して送給し、前述の如く、低圧アンモニアガス(ホ)
を吸収する。

この場合において、熱交換器１６を設ける代わ
りにガス吸収媒体貯蔵設備９、または、１３のい
ずれかに熱交換用チユーブを内蔵しておき、往路
復路いずれかのガス吸収媒体と貯蔵中のガス吸収
媒体との熱交換を行わせてもよい。

又、上記ガス放出槽１１の加熱設備について
は、上記ガス吸収槽７の吸熱装置と配管１５によ
り連通接続させることにより、若干の改質を行つ
た上で相殺して設備における使用エネルギーの経
済化を図ることができる。したがつて、上述実施
例において図示しない発電所などの稼働率はトー
タルエネルギーとしては均一に有効に稼働するこ
とができることになる。

上記実施例では、冷熱回収利用装置６からの低
圧アンモニヤガスの体積の縮少には、液化アンモ
ニヤ錯体をガス吸収媒体として用い、これを加圧
の状態でガス吸収媒体貯蔵設備９に貯蔵するよう
にしたが、第３図に示すように、ガス吸収媒体貯
蔵設備９を省略し、ガス吸収槽７に該ガス吸収媒
体貯蔵設備９の機能を兼用させ、また、上記ガス
放出槽１１に上記吸収媒体貯蔵設備１３の機能を
兼用させることもある。

尚第１，３図に示すように、上記熱交換器１６
とガス吸収槽７との間に、更に、海水または大気
などによる熱交換器１６ａを加設し、ガス吸収槽
７でシヤワーするガス吸収媒体を加温するように
してもよい。また、冷熱回収利用装置６と上記ガ
ス吸収槽７との間の管路に、仮想線で示すように
コンプレツサ２ａを配設し、冷熱回収利用装置６
からの低圧アンモニヤガスを圧縮し、該低圧アン
モニヤガスの体積を圧縮させた状態でガス吸収槽
７に送り込み、ガス吸収媒体への吸収効率の向上
を計るようにすることもできる。

また、圧縮式ヒートポンプサイクルにおける作
動流体としては、上述実施例のアンモニヤガスの
みならず、炭酸ガス、プロパンガスなど種々の流
体が採用可能である。更に、この発明のシステム
は、必ずしもエネルギー供給施設に設ける必要は
なく、エネルギー消費施設の側に分散して設けて
もよい。

次に、第４，５図に示す実施例について説明す
る。上記第１，３図に示した実施例は、ガス吸収
槽７において、冷熱回収利用装置６を経たガスを
吸収したガス吸収媒体を、ポンプ８によつてガス
吸収媒体貯蔵設備９に給送貯蔵するラインの途中
で、該ガス吸収媒体と、吸収媒体貯蔵設備１３か
らガス吸収槽７に給送されるガス吸収媒体との間
で熱交換させるための熱交換器１６を設けたもの
であるが、第４，５図で示す実施例は、この熱交
換器１６を設置することなく、上記吸収媒体貯蔵
設備１３内のガス吸収媒体を昇圧ポンプ１４によ
つて昇圧高温化したガス吸収媒体を上記ガス吸収
槽７に給送するライン途中に、海水、大気、ある
いは、設備周辺に存在する熱媒による熱交換器１
７を設けたもので、ガス吸収槽７からガス吸収媒
体貯蔵設備９に至るガス吸収媒体を冷却、即ち、
温度降下させずに高圧状態で貯蔵しうるようにし
たものであり、また、ガス吸収槽７からガス吸収
媒体貯蔵設備９に至るライン途中に冷却設計によ
つては熱交換器１８を設けるようにしたものであ
り、その他の構成は上記第１，３図の実施例と同
様であるため、詳細な説明は省略する。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明の構成によれば、次のよ
うな効果が得られる。

(a) 基本的に民生用、産業用を問わず、設備運用
にはピーク時、オフピーク時の負荷変動を伴う
が、常にエネルギーを供給しなければならない
発電所などのエネルギー供給施設においてはエ
ネルギー使用者の負荷ピークに対応すべく、そ
の稼働能力をピーク時を対象に設計するため、
オフピーク時の稼働率が低下し、著しい無駄が
生じる。これに対して本発明によるシステムで
はオフピーク時において余剰エネルギーを圧縮
式ヒートポンプサイクルを辿る流体に供給して
エネルギー貯蔵システムを行い、これをピーク
時に冷熱エネルギーとして回収し有効利用する
ため、システムの設置場所の如何を問わず、電
力需要などの平準化に寄与することが可能とな
る。

(b) 冷熱回収利用装置で冷熱エネルギーが回収利
用されたガスは、ガス吸収槽内において昇圧昇
温したガス吸収媒体に効率よく吸収せしめられ
るとともに、容易に入手しうる海水や大気など
の冷媒により冷却し得られ、本質的にはガス状
である流体を液体状態で小体積で貯蔵しうる経
済的効果がある。

(c) ガスを吸収した低温高圧ガス吸収媒体は、オ
フピーク時に膨張弁を経てガス放出槽を膨張低
温化されて給送されることから、このガス放出
槽内のガス吸収媒体は、容易に入手しうる海水
や大気などの熱媒により有効に加熱され、ガス
吸収媒体に吸収されたガスは、安価な熱媒によ
り容易にガス放出が行われなど経済的効果は大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の概略システム図、第２図は圧
縮式ヒートポンプサイクルのグラフ図、第３図は
第１図実施例からガス吸収媒体貯蔵設備を省略し
た概略システム図、第４図は別実施例の概略シス
テム図、第５図は第４図の実施例からガス吸収媒
体貯蔵設備を省略した概略システム図である。 Ａ……冷熱エネルギー貯蔵システム、２……コ
ンプレツサ、３……コンデンサ、４……貯蔵タン
ク、５……膨張弁、６……冷熱回収利用装置、７
……ガス吸収槽、８……ポンプ、９……ガス吸収
媒体貯蔵設備、１０……膨張弁、１１……ガス放
出槽、１２……ポンプ、１３……吸収媒体貯蔵設
備、１４……昇圧ポンプ、１６，１６ａ，１７…
…熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 圧縮式ヒートポンプサイクルを活用した
   エネルギー貯蔵システムにおいて、 (b) オフピーク時の余剰電力などを利用して得ら
   れる回転エネルギーにより、低圧ガスを圧縮し
   てガスを高温高圧化したのち、該高温高圧化ガ
   スを冷却して低温の液状で貯蔵し、 (c) ピーク時に、該低温高圧液化ガスを膨張弁を
   経て低温低圧化し、これにより得られる冷熱エ
   ネルギーを活用してエネルギー回収を行い、 (d) 該冷熱エネルギーの回収利用によりエンタル
   ピを増大したガスを、圧力及び温度操作により
   昇温昇圧されたガス吸収媒体（化学蓄熱材な
   ど）に海水、大気などの入手容易な冷媒で熱を
   除去するようにして吸収したのちこのガス吸収
   媒体を高圧状態で貯蔵せしめ、 (e) オフピーク時に、該高圧状態のガス吸収媒体
   を膨張弁を経て低温低圧化状態でガス放出器に
   導き、該ガス放出器において、海水、大気、太
   陽熱などの入手容易な熱媒によつて加熱して吸
   収ガスの放出を行い、この低圧ガスを再び圧縮
   高圧化させるサイクルを反復して行うようにし
   たことを特徴とする冷熱エネルギー貯蔵システ
   ム。