JPS62138656A - 冷熱エネルギ−貯蔵システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、冷却液化などエンクルピ、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ろオフピーク時に、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ッサなどにより圧ｔ＠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ュ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ッサなどに送入し、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
、したがって、オフピーク時には負荷を低下させたり、
稼働停止を行っ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ってオフ
ピーク時の余剰エネルギーを蓄えておき、ピーク時に所
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ってきた。

〔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、大容凰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７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。

乙のうち、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、２
０年間前後の研究期間が必要とされて現実の開発１こは
間に合わないものてある。

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ζよ、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
に用いろことができろようにし、而も、その効率はオフ
ピーク時にイシブッ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
し得ろようにし、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
用分野に益する浸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と−１、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ッサなどの圧
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
などを介してジュ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
よっ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ッ
サなどに導き、再び高；晶高圧化させるようにして圧縮
式と−１、ポンプサイクルを辿るようにして、オフピー
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って説明するば以下
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ーｌ、
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）。

（杓を作動流体が辿るようにされており、その作！ｌ１
ｌＪ流体のガスは、当該実施例においてはアンモニヤ（
ＮＨ：＋　）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８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（０は、所定のクリーナ
ー１を通っ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ッサ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、コンゴし・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１　ｋｇ　／ｃｏｔ
Ｇのガスであり、コンプレッサ２により高温高圧化され
た状態では、１５０℃強で圧力は１５ｋｇ／ｃｍＧのガ
スとされている。

尚、当該態様においては、コンプレッサ２を１段に示し
ているが、条件による設計で、例丸ば、コンプレッサ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Ｏｆ用（７て複膜のコン
プレッ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／ｃｎ？Ｇのｌ夜
（ハ）となっている。

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ずろ。

したがって、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２日数２月数２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、流体の種類によっ
ては高温高圧貯蔵、あるいは、低〆品高圧貯蔵の態様も
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（月は、膨張弁５を
介してＰｌｅ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（利に気化するま
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
って、結果的に余剰エネルギーの投入の有効［４利用が
行われる。

而して、該膨張弁５によって低温低圧化されたアンモニ
ヤガス（ニ）は、−９℃で、圧力は２ｋｇ／。ｌＧ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（利はＯ℃〜１０℃に
昇温し、圧力は２ｋｇ／ｃＴｊＧの低圧アンモニアガス
となっている。したがって、エンクルビ的には第２図の
（ニ）から（ホ）に至る間のエンクルピ変化量に相当す
る一９℃からＯ℃〜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。

したがって、エネルギー貯＃Ｉｔ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
っており、したがって、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、３
００〜４００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。

したがって、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（杓を、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。

即ら、−ｍ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ガス、
−７”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（杓は、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。

昇〆晶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ャワーに対し、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、はぼ一定温度、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
って予め界ン品しであるため、放熱対象の冷却源は比較
的温度の高いものでもよ（、海水や空気などにすること
ができる。また、圧力操作によって予め圧力を高めにし
であるため、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（ネ）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の中間にコンプレッサ２ａ
を介在させてもよい。

したがって、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Ｗｉ１３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（）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、例丸ば、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
び前記のコンプレッサ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）。

（σ）、（ハ）、（ニ）ｉ＃）を辿ることになる。

しかして、該ガス放出槽１１にｉｓ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１Ｇに供給し、所
定温まで昇温した上で、ガス吸収槽７に再度シャワー状
にして送給し、前述の如く、低圧アンモニアガス（ネ）
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
用チュ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（よ、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、若干の改質を行っ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
たがって、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でシャワーするガス
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どの間の管路に、仮想線
で示すようにコンプレッサ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、羨酸
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
施設に設けろ必要はなく、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によっ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１
Ｇ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によって昇圧高温化した
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１７を設けたもので、ガス吸収槽７からガ
ス吸収媒体貯蔵膜ＷＩ９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っては熱交換器
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（７て本発明によるシステムで（よ
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
に入手しうろ海水や大気などの冷媒により）５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
貯蔵しつる経済的効果がある。

（ｅ）　　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に膨張低ンＷ化さ
れて給送されることから、このガス放出−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図ば圧縮式ビー
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図は別実流側の概略システム図、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（７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　コンプレッ
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、　ＩＩ・ガス放出槽、１２・ポンプ、１３　　吸収
媒体貯蔵設備、１４・・昇圧ポンプ、　Ｈｉ、　１０ａ
、　１７　　熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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
   熱媒によっ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
   。