空気圧縮膨張システムにおいて二酸化炭素を回収するためのシステムおよび方法
本システムは、区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するために区画に流体結合され、第１の量のガスを運ぶための圧縮経路を備える圧縮システムと、区画からの第２の量のガスを膨張させるために区画に流体結合され、第２の量のガスを運ぶための膨張経路を備える膨張システムと、第１の量のガスを区画へ運ぶために圧縮経路に流体結合された第１の経路と、第２の量のガスを区画から膨張システムへ運ぶために膨張経路に流体結合された第２の経路と、第１の経路、第２の経路、圧縮経路、および膨張経路のうちの１つに流体結合された分離ユニットとを備えており、分離ユニットは、第１および第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に、空気圧縮膨張システムに関し、より詳細には、空気圧縮膨張システムにおいて二酸化炭素を回収するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧縮膨張システムは、多数の産業において様々な用途のために使用されている。例えば、そのような用途の１つは、エネルギーを生成および貯蔵する際に、空気圧縮膨張システムをターボ機械として使用することである。圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは通常、１つまたはいくつかの圧縮機を有する圧縮トレイン（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｒａｉｎ）を備え、圧縮機は、吸気を圧縮し、その圧縮された吸気を地下の貯蔵部である洞穴または他の圧縮空気貯蔵要素に供給する。その後、圧縮空気は、１つまたはいくつかのタービンを駆動し、例えば電気エネルギー等のエネルギーを生成するために使用される。ＣＡＥＳシステムの圧縮段階の動作中、圧縮された吸気は通常、貯蔵に先立って洞穴の温度に冷却される。膨張段階の動作中、空気は、地下の貯蔵部からタービンを通じて排出され、大気圧でタービンから出るように膨張する。
【０００３】
ＣＡＥＳシステムは、電力消費ピーク時間中にはグリッドにエネルギーを注入する一方でオフピーク時間中には余剰エネルギーを貯蔵するソースとして、公益事業プラントの電源構成に大きく貢献する。ＣＡＥＳシステムはまた、圧縮空気がエネルギー貯蔵洞穴等に運ばれる間、圧縮トレインに動力を供給するために、風車から生成されたエネルギーを使用してもよい。
【０００４】
ＣＡＥＳシステムは、エネルギーの生成および／またはピーク時間中のグリッドへの補助エネルギーの効率を向上させることができるが、公益事業プラント（例えば、石炭および天然ガス発電所）は、大気中温室効果ガスの一因となる多量の二酸化炭素（ＣＯ2）を発生させる。
【０００５】
したがって、公益事業プラントに使用されるＣＡＥＳシステムからのＣＯ2の寄与を減少させるシステムおよび方法を設計することが望ましいはずである。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、空気圧縮膨張システムにおいて二酸化炭素を回収するためのシステムおよび方法に関する。
【０００７】
したがって、本発明の一態様によれば、ガス圧縮膨張システムは、貯蔵区画に流体結合され、その貯蔵区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するように構成された圧縮システムを備え、この圧縮システムは、それを通して第１の量のガスを運ぶように構成された圧縮経路を備える。ガス圧縮膨張システムはまた、貯蔵区画に流体結合され、貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張させるように構成された膨張システムを備え、この膨張システムは、それを通して第２の量のガスを運ぶように構成された膨張経路を備える。さらに、ガス圧縮膨張システムは、圧縮経路に流体結合され、第１の量のガスを貯蔵区画へ運ぶように構成された第１の経路と、膨張経路に流体結合され、貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張システムへ運ぶように構成された第２の経路と、第１の経路、第２の経路、圧縮経路、および膨張経路のうちの１つに流体結合された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、二酸化炭素分離ユニットは、第１の量のガスおよび第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、空気圧縮膨張システムの製造方法は、貯蔵容積に貯蔵するための空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップと、第１の空気流経路を圧縮機に連結し、圧縮空気流を貯蔵容積へ運ぶように第１の空気流経路を構成するステップと、ある量の圧縮空気流を受け取りかつそのある量の圧縮空気流を膨張させるようにタービンを構成するステップとを含む。この方法はまた、第２の空気流経路をタービンに連結し、ある量の圧縮空気流を貯蔵容積からタービンへ運ぶように第２の空気流経路を構成するステップと、第１の空気流経路および第２の空気流経路のうちの少なくとも１つに沿って二酸化炭素フィルタを連結し、圧縮空気流からある量の二酸化炭素を濾過するように二酸化炭素フィルタを構成するステップとを含む。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、入口および出口を有する圧縮機組立体を備え、圧縮機は、圧縮機組立体の出口で圧縮作動流体を排出するように構成される。ＣＡＥＳシステムはまた、圧縮機の出口の下流に配置されて圧縮作動流体を受け取りかつ貯蔵するように構成された貯蔵容積と、貯蔵容積の下流に配置されてその入口で貯蔵洞穴からの圧縮作動流体を受け取りまたその出口で膨張作動流体を排出するように構成されたタービン組立体と、圧縮機組立体の出口の下流およびタービン組立体の入口の上流に配置された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、二酸化炭素分離ユニットは、圧縮作動流体からある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【００１０】
他の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
【００１１】
各図面は、本発明を実施するために現在考えられる好ましい実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態による例示的なＣＡＥＳシステムのブロック図である。
【図２】本発明の別の実施形態による例示的なＣＡＥＳシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、標準的な圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム、および排出ガス再循環を有するＣＡＥＳシステムに関して記述されている。しかし、本発明の実施形態を他の空気圧縮膨張システムの使用に対して同様に応用できることが、当業者には理解されよう。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による、例えばＣＡＥＳシステムなど例示的な空気圧縮膨張システム１００のブロック図が示されている。ＣＡＥＳシステム１００は、モータ／発電機ユニット１０２、圧縮システム１０６に連結された第１の駆動軸１０４、および膨張システム１１０に連結された第２の駆動軸１０８を備える。クラッチ１１２、１１４は、圧縮システム１０６および膨張システム１１０からモータ／発電機ユニット１０２を、それぞれ選択的にはずす。
【００１５】
一実施形態によれば、圧縮システム１０６は、圧縮システム１０６の入口側１１８で作動流体１１６を受け取り、作動流体１１６を貯蔵圧力（例えば、約５０〜１５０バール）に圧縮し、圧縮機システム１０６の出口側１２２で圧縮作動流体１２０を排出するように構成された、単一の圧縮機ユニットを備える。あるいは、圧縮システム１０６は、互いに直列に連結されたいくつかの圧縮機ユニットを備えることができる。このようにして、そのいくつかの圧縮機ユニットは、作動流体１１６を第１の圧力から第２の圧力までいくつかの圧力段階で圧縮するように構成され、圧縮機ユニットのそれぞれは、作動流体１１６を第１の圧力と第２の圧力との差未満の圧力に圧縮するように構成する。例えば、そのいくつかの圧縮機ユニットは、作動流体１１６を大気圧から貯蔵圧力まで圧縮するように構成されてもよい。同様に、一実施形態によれば、膨張システム１１０は、ある量の貯蔵作動流体１２４を第３の圧力から第４の圧力まで膨張させるように構成された、１つの膨張機またはタービンを備える。あるいは、膨張システム１１０は、互いに直列に連結され、いくつかの圧力段階で動作するように構成されたいくつかの膨張機ユニットを備えることができ、膨張機ユニットのそれぞれは、貯蔵作動流体１２４を第３の圧力と第４の圧力との差未満の圧力だけ膨張させるように構成される。膨張システム１１０は、膨張システム１１０の入口１２６である量の貯蔵作動流体１２４を受け取り、貯蔵作動流体１２４を排出圧力（例えば、約１バール）に膨張させ、膨張システム１１０の出口１２８で膨張作動流体１６６を排出するように構成される。
【００１６】
作動流体１１６は、圧縮システム１０６の入口側１１８でＣＡＥＳシステム１００に入り、作動流体１１６が圧縮機経路１３０を通って移動するにつれて、圧縮システム１０６によって圧縮される。圧縮作動流体１２０は、圧縮システム１０６の出口側１２２から出て、圧縮システム１０６と、例えば天然の洞穴または岩塩洞穴等の、圧縮空気貯蔵容積１３４との間の、第１の経路１３２に沿って移動する。圧縮作動流体１２０は、第１の経路１３２に沿って移動する時、貯蔵に先立って冷却するための任意の熱交換器または最終冷却器１３６（破線で示す）を通過して、二酸化炭素（ＣＯ2）分離システム１３８に入り、そこでＣＯ2が、圧縮作動流体１２０から濾過または分離される。図１に示すように、ＣＯ2分離システム１３８は、圧縮システム１０６の下流および膨張システム１１０の上流で、ＣＡＥＳシステム１００内に配置されている。ＣＯ2分離システム１３８は、例えば溶媒をベースとするＣＯ2回収ユニット、または膜をベースとするＣＯ2回収ユニット等の、ＣＯ2分離ユニット１４０を備える。ＣＯ２分離システム１３８はまた、圧縮作動流体１２０をＣＯ2分離温度に冷却するためのトリム冷却器（ｔｒｉｍ ｃｏｏｌｅｒ）１４４（破線で示す）、および／または任意の前処理デバイス１４６（破線で示す）を含みうる任意の処理システム１４２を備え、この任意の処理システム１４２は、作動流体１１６から微粒子を除去するためにＣＯ2分離ユニット１４０から上流に配置されてもよい。ＣＯ2が希薄なまたはＣＯ2を含まない作動流体１４８は、ＣＯ2分離システム１３８から出て、圧縮空気貯蔵容積１３４に貯蔵される。一実施形態によれば、分離されたＣＯ2１５０は、任意のＣＯ2貯蔵システム１５２（破線で示す）に移動されてもよい。
【００１７】
作動流体１１６は、ＣＯ2分離ユニット１４０を通過するのに先立って圧縮されるので、作動流体１１６のＣＯ2分圧が上昇し、それによってＣＯ2を分離するための駆動力が実質的に増大する。また、ＣＯ2分離システム１３８を通過する作動流体１１６の体積は、圧縮を経て減少するので、より小さなＣＯ2分離ユニットをＣＡＥＳシステム１００に組み込むこむことができ、それによって設備費が減少する。
【００１８】
いくつかの弁１５４、１５６、１５８が、圧縮システム１０６、膨張システム１１０、および圧縮空気貯蔵容積１３４の間に配置されて、ＣＡＥＳシステム１００全体を通して流体の動きを制御する。例えば、弁１５４が閉じられているとき、弁１５６、１５８を開き、ある量の貯蔵作動流体１２４を圧縮空気貯蔵容積１３４と膨張システム１１０との間の第２の経路１６０に沿って移動させることができる。ある量の貯蔵作動流体１２４は、第２の経路１６０に沿って移動する時に、任意の燃焼器１６２（破線で示す）を通過してもよい。貯蔵作動流体１２４は、膨張システム１１０の入口１２６から入り、貯蔵作動流体１２４が膨張経路１６４を通って移動するにつれて、膨張システム１１０によって膨張される。膨張作動流体１６６は、膨張システム１１０の出口１２８でＣＡＥＳシステム１００から出る。
【００１９】
また、図１に示すように、一実施形態によれば、ＣＯ2分離システム１３８は、上述のように、圧縮システム１０６と圧縮空気貯蔵容積１３４との間の第１の経路１３２に沿って流体結合されている。他の実施形態によれば、ＣＯ2分離システム１３８は、例えば位置１６８、１７０、１７２（破線で示す）のいずれかの位置等の、ＣＡＥＳシステム１００内の様々な代替位置に設置されてもよい。ＣＯ2分離システム１３８は、同様に、例えば燃焼器１６２の上流であり膨張システム１１０の下流である位置、または弁１５６と圧縮空気貯蔵容積１３４との間の位置等の他の位置に設置されてもよいことが、同業者には認識されるであろう。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、ＣＡＥＳシステム１００は、貯蔵作動流体１２４が膨張システム１１０内で膨張させられる前に、その貯蔵作動流体１２４を予熱するために、熱交換器１７４（破線で示す）有して任意に構成されてもよい。そのような実施形態では、膨張作動流体１６６の全体または一部は、熱交換器１７４を通過するようにして経路１７６に沿って送られる。
【００２１】
一実施形態では、作動流体１１６は、例えば、約４００ｐｐｍｖのＣＯ2濃度を有する大気である。そのような実施形態では、圧縮システム１０６は、例えば、圧縮作動流体１２０が分離の際に約０．０４バールのＣＯ2分圧を有するように、作動流体１１６を１００バールの貯蔵圧力に圧縮するように構成されてもよい。
【００２２】
あるいは、作動流体１１６は、例えば、約３〜３０％のＣＯ2パーセント量を有する、発電所または産業工程から排出された燃料排ガスであってもよい。例えば、作動流体１１６は、約１５パーセント量のＣＯ2濃度を有する、微粉炭発電所から排出された燃料排ガスであってもよい。この実施形態では、圧縮作動流体１２０は、１００バールの貯蔵圧力、および分離の際に約１５バールの対応するＣＯ2分圧を有しうる。別の例として、作動流体１１６は、約４パーセント量のＣＯ2濃度を有する、天然ガス複合発電から排出された燃焼排ガスであってもよい。この実施形態では、圧縮作動流体１２０は、１００バールの貯蔵圧力に圧縮され、分離の際に約８バールのＣＯ2分圧を有しうる。
【００２３】
膨張システムの共燃焼上流を備えるＣＥＡＳシステム（例えば、天然ガス発電所）のために、膨張システムから出る排出された膨張作動流体の一部は、本発明の実施形態により、圧縮機へ任意に再循環して戻されてもよい。例えば、膨張作動流体１６６の何分の一か（例えば、最大５０％）を含む再循環排ガスまたは再循環流体１７８（破線で示す）は、膨張システム１１０の出口側１２８と、圧縮システム１０６の入口側１１８との間の、再循環経路１８０に沿って送られてもよい。再循環流体１７８は、圧縮システム１０６の入口側１１８で、作動流体１１６と混合される。その結果、圧縮作動流体１２０内のＣＯ2濃度が増加し、したがってＣＯ2分圧が上昇し、ＣＯ2分離がより容易になる。作動流体１１６は、再循環排出流体１７８を取り入れる実施形態では、再循環排出流体１７８を取り入れない実施形態よりも小さい入口流で、圧縮システム１０６に入りうる。
【００２４】
次に図２を参照すると、本発明の一実施形態によるＣＡＥＳシステム１８２のブロック図が示されている。ＣＡＥＳシステム１８２は、圧縮機システム１８６に連結されたモータ１８４、貯蔵洞穴１８８、発電機１９２に連結されたタービンシステム１９０、および例えばＣＯ2分離システム１３８（図１）等のＣＯ2分離システム１９４を備える。ＣＡＥＳシステム１８２はまた、貯蔵洞穴１８８へのおよび貯蔵洞穴１８８からのガスの動きを制御するために操作されうる、いくつかの弁１９６、１９８、２００を備える。
【００２５】
図２に示したように、圧縮機システム１８６は、ギアボックス２０６をそれらの間に有する、第１の圧縮機２０２および第２の圧縮機２０４を備える。タービンシステム１９０は、第１のタービン２０８および第２のタービン２１０を備える。示したように、任意の燃焼器２１２、２１４（破線で示す）が、第１のタービン２０８の入口２１６、および／または第１および第２のタービン２０８、２１０の間の位置に配置されてもよい。本実施形態では２つの圧縮機２０２、２０４のみ示してあるが、圧縮システム１８６は２つよりも多くの圧縮機を備えることができることが意図されている。同様に、タービンシステム１９０は２つよりも多くのタービンを備えることができる。
【００２６】
ガスは、第１の圧縮機２０２の入口２１８で圧縮機システム１８６に入り、圧縮経路２２０を通って移動し、第２の圧縮機２０４の出口２２２で圧縮機システム１８６から出る。ガスは、第１の圧縮機２０２を通過するときに中間圧力に圧縮され、第２の圧縮機２０４を通過するときに最終貯蔵圧力に圧縮される。任意の冷却ユニット２２４（破線で示す）が、第２の圧縮機２０４での圧縮に先立ってガスを予冷却するために、第１および第２の圧縮機２０２、２０４の間に配置されてもよい。
【００２７】
圧縮機システム１８６から出た後、ガスは、圧縮機システム１８６と貯蔵洞穴１８８との間に形成された圧縮ガス経路２２６に沿って移動する。ＣＯ2分離システム１９４は、図１のＣＯ2分離システム１３８について説明したのと同様の方法で、ガスが圧縮空気経路２２６に沿って移動するときに、そのガスからＣＯ2を濾過する。
【００２８】
一実施形態によれば、圧縮ガスが洞穴１８８に貯蔵される前に、圧縮ガスは、洞穴１８８への貯蔵に先立って圧縮空気から熱を除去する任意の冷却ユニット２２８（破線で示す）を通過してもよい。貯蔵に先立って圧縮ガスから熱を除去することにより、洞穴１８８の完全性を保護することができる。冷却ユニット２２８がＣＯ2分離システム１９４の上流に示されているが、あるいは、冷却ユニット２２８は、ＣＯ2分離システム１９４の下流に位置されてもよい。
【００２９】
圧縮ガスは、洞穴１８８に貯蔵された後、タービンシステム１９０へ出口経路２３４に沿って移動する。あるいは、洞穴１８８への中間貯蔵なしに圧縮ガスを圧縮システム１８６からタービンシステム１９０まで直接移動できるようにするために、弁１９６〜２００が操作されてもよい。タービンシステム１９０の構成により、圧縮ガスは、そこを通過するときに膨張し、したがってタービンシステム１９０を回転させることになる。ガスは、第１のタービン２０８を通過するときに中間膨張圧力に膨張し、第２のタービン２１０を通過するときに大気圧にさらに膨張する。タービンシステム１９０の回転が発電機ユニット１９２に接続された駆動軸２３０を回転させることで、発電機ユニット１９２に電力を生じさせる。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、ＣＡＥＳシステム１８２は、任意選択で熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット２３２（破線で示す）を備えることができる。そのような実施形態では、貯蔵洞穴１８８に向かって圧縮空気経路２２６に沿って流れる圧縮ガスは、圧縮ガスから熱を除去するＴＥＳユニット２３２を通過する。この熱は、ＴＥＳユニット２３２によって貯蔵され、その後で、ガスが貯蔵洞穴１８８とタービンシステム１９０との間に形成された出口経路２３４に沿って移動するにつれて圧縮ガスがＴＥＳユニット２３２を再度通過するとき、圧縮ガスに戻される。
【００３１】
図２では、ＣＯ2分離システム１９４は、圧縮機システム１８６の下流であり貯蔵洞穴１８８の上流である位置に示されているが、ＣＯ2分離システム１９４は第１の圧縮機２０２の下流であり第２のタービン２１０の上流であるいかなる位置に配置されてもよいことが、当業者には理解されよう。したがって、様々な実施形態によれば、ＣＯ2分離システム１９４は、例えば、位置２３６、２３８、２４０、２４２（破線で示す）のいずれかの位置に配置されてもよい。
【００３２】
したがって、一実施形態によれば、ガス圧縮膨張システムは、貯蔵区画に流体結合され、貯蔵区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するように構成された圧縮システムを備え、この圧縮システムは、それを通して第１の量のガスを運ぶように構成された圧縮経路を備える。ガス圧縮膨張システムはまた、貯蔵区画に流体結合され、貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張させるように構成された膨張システムを備え、この膨張システムは、それを通して第２の量のガスを運ぶように構成された膨張経路を備える。さらに、ガス圧縮膨張システムは、圧縮経路に流体結合され、第１の量のガスを貯蔵区画に運ぶように構成された第１の経路と、膨張経路に流体結合され、第２の量のガスを貯蔵区画から膨張システムに運ぶように構成された第２の経路と、第１の経路、第２の経路、圧縮経路、および膨張経路のうちの１つに流体結合された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、この二酸化炭素分離ユニットは、第１の量のガスおよび第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【００３３】
別の実施形態によれば、空気圧縮膨張システムの製造方法は、貯蔵容積に貯蔵するための空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップと、第１の空気流経路を圧縮機に連結し、圧縮空気流を貯蔵容積へ運ぶように第１の空気流経路を構成するステップと、ある量の圧縮空気流を受け取りかつそのある量の圧縮空気流を膨張させるようにタービンを構成するステップとを含む。この方法はまた、第２の空気流経路をタービンに連結し、ある量の圧縮空気流を貯蔵容積からタービンへ運ぶように第２の空気流経路を構成するステップと、第１の空気流経路および第２の空気流経路のうちの少なくとも１つに沿って二酸化炭素フィルタを連結し、圧縮空気流からある量の二酸化炭素を濾過するように二酸化炭素フィルタを構成するステップとを含む。
【００３４】
さらに別の実施形態によれば、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、入口および出口を有する圧縮機組立体を備え、圧縮機は、圧縮機組立体の出口で圧縮作動流体を排出するように構成される。ＣＡＥＳシステムはまた、圧縮機の出口の下流に配置されて圧縮作動流体を受け取りかつ貯蔵するように構成された貯蔵容積と、貯蔵容積の下流に配置され、その入口で貯蔵洞穴からの圧縮作動流体を受け取りまたその出口で膨張作動流体を排出するように構成されたタービン組立体と、圧縮機組立体の出口の下流およびタービン組立体の入口の上流に配置された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、二酸化炭素分離ユニットは、圧縮作動流体からある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【００３５】
本書では、例を使用して、最良の状態を含む本発明を開示し、また、当業者なら誰でも、任意のデバイスまたはシステムの製造および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含めて本発明を実施することができるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって定義され、また当業者に想起される他の例も含みうる。そのような他の例は、それが、特許請求の範囲の文言に相違しない構造要素を有する場合、または、それが、特許請求の範囲の文言とは実質的に相違しない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲に記載の範囲に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００３６】
１００ 圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム
１０２ モータ／発電機ユニット
１０４ 第１の駆動軸
１０６ 圧縮システム、圧縮機システム
１０８ 第２の駆動軸
１１０ 膨張システム
１１２ クラッチ
１１４ クラッチ
１１６ 作動流体
１１８ 入口側
１２０ 圧縮作動流体
１２２ 出口側
１２４ 貯蔵作動流体
１２６ 入口
１２８ 出口
１３０ 圧縮機経路
１３２ 第１の経路
１３４ 圧縮空気貯蔵容積
１３６ 任意の熱交換器または最終冷却器
１３８ 二酸化炭素（ＣＯ2）分離システム
１４０ ＣＯ2分離ユニット
１４２ 任意の処理システム
１４４ トリム冷却器
１４６ 任意の前処理デバイス
１４８ ＣＯ２が希薄なまたはＣＯ２を含まない作動流体
１５０ 分離されたＣＯ2
１５２ 任意のＣＯ2貯蔵システム
１５４ 弁
１５６ 弁
１５８ 弁
１６０ 第２の経路
１６２ 任意の燃焼器
１６４ 膨張経路
１６６ 膨張作動流体
１６８ 位置
１７０ 位置
１７２ 位置
１７４ 熱交換器
１７６ 経路
１７８ 再循環流体、再循環排出流体
１８０ 再循環経路
１８２ ＣＡＥＳシステム
１８４ モータ
１８６ 圧縮機システム、圧縮システム
１８８ 貯蔵洞穴、洞穴
１９０ タービンシステム
１９２ 発電機、発電機ユニット
１９４ ＣＯ2分離システム
１９６ 弁
１９８ 弁
２００ 弁
２０２ 第１の圧縮機
２０４ 第２の圧縮機
２０６ ギアボックス
２０８ 第１のタービン
２１０ 第２のタービン
２１２ 任意の燃焼器
２１４ 任意の燃焼器
２１６ 入口
２１８ 入口
２２０ 圧縮経路
２２２ 出口
２２４ 任意の冷却ユニット
２２６ 圧縮ガス経路、圧縮空気経路
２２８ 任意の冷却ユニット
２３０ 駆動軸
２３２ 熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット
２３４ 出口経路
２３６ 位置
２３８ 位置
２４０ 位置
２４２ 位置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に、空気圧縮膨張システムに関し、より詳細には、空気圧縮膨張システムにおいて二酸化炭素を回収するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧縮膨張システムは、多数の産業において様々な用途のために使用されている。例えば、そのような用途の１つは、エネルギーを生成および貯蔵する際に、空気圧縮膨張システムをターボ機械として使用することである。圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは通常、１つまたはいくつかの圧縮機を有する圧縮トレイン（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｒａｉｎ）を備え、圧縮機は、吸気を圧縮し、その圧縮された吸気を地下の貯蔵部である洞穴または他の圧縮空気貯蔵要素に供給する。その後、圧縮空気は、１つまたはいくつかのタービンを駆動し、例えば電気エネルギー等のエネルギーを生成するために使用される。ＣＡＥＳシステムの圧縮段階の動作中、圧縮された吸気は通常、貯蔵に先立って洞穴の温度に冷却される。膨張段階の動作中、空気は、地下の貯蔵部からタービンを通じて排出され、大気圧でタービンから出るように膨張する。
【０００３】
ＣＡＥＳシステムは、電力消費ピーク時間中にはグリッドにエネルギーを注入する一方でオフピーク時間中には余剰エネルギーを貯蔵するソースとして、公益事業プラントの電源構成に大きく貢献する。ＣＡＥＳシステムはまた、圧縮空気がエネルギー貯蔵洞穴等に運ばれる間、圧縮トレインに動力を供給するために、風車から生成されたエネルギーを使用してもよい。
【０００４】
ＣＡＥＳシステムは、エネルギーの生成および／またはピーク時間中のグリッドへの補助エネルギーの効率を向上させることができるが、公益事業プラント（例えば、石炭および天然ガス発電所）は、大気中温室効果ガスの一因となる多量の二酸化炭素（ＣＯ2）を発生させる。
【０００５】
したがって、公益事業プラントに使用されるＣＡＥＳシステムからのＣＯ2の寄与を減少させるシステムおよび方法を設計することが望ましいはずである。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、空気圧縮膨張システムにおいて二酸化炭素を回収するためのシステムおよび方法に関する。
【０００７】
したがって、本発明の一態様によれば、ガス圧縮膨張システムは、貯蔵区画に流体結合され、その貯蔵区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するように構成された圧縮システムを備え、この圧縮システムは、それを通して第１の量のガスを運ぶように構成された圧縮経路を備える。ガス圧縮膨張システムはまた、貯蔵区画に流体結合され、貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張させるように構成された膨張システムを備え、この膨張システムは、それを通して第２の量のガスを運ぶように構成された膨張経路を備える。さらに、ガス圧縮膨張システムは、圧縮経路に流体結合され、第１の量のガスを貯蔵区画へ運ぶように構成された第１の経路と、膨張経路に流体結合され、貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張システムへ運ぶように構成された第２の経路と、第１の経路、第２の経路、圧縮経路、および膨張経路のうちの１つに流体結合された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、二酸化炭素分離ユニットは、第１の量のガスおよび第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、空気圧縮膨張システムの製造方法は、貯蔵容積に貯蔵するための空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップと、第１の空気流経路を圧縮機に連結し、圧縮空気流を貯蔵容積へ運ぶように第１の空気流経路を構成するステップと、ある量の圧縮空気流を受け取りかつそのある量の圧縮空気流を膨張させるようにタービンを構成するステップとを含む。この方法はまた、第２の空気流経路をタービンに連結し、ある量の圧縮空気流を貯蔵容積からタービンへ運ぶように第２の空気流経路を構成するステップと、第１の空気流経路および第２の空気流経路のうちの少なくとも１つに沿って二酸化炭素フィルタを連結し、圧縮空気流からある量の二酸化炭素を濾過するように二酸化炭素フィルタを構成するステップとを含む。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、入口および出口を有する圧縮機組立体を備え、圧縮機は、圧縮機組立体の出口で圧縮作動流体を排出するように構成される。ＣＡＥＳシステムはまた、圧縮機の出口の下流に配置されて圧縮作動流体を受け取りかつ貯蔵するように構成された貯蔵容積と、貯蔵容積の下流に配置されてその入口で貯蔵洞穴からの圧縮作動流体を受け取りまたその出口で膨張作動流体を排出するように構成されたタービン組立体と、圧縮機組立体の出口の下流およびタービン組立体の入口の上流に配置された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、二酸化炭素分離ユニットは、圧縮作動流体からある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【００１０】
他の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
【００１１】
各図面は、本発明を実施するために現在考えられる好ましい実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態による例示的なＣＡＥＳシステムのブロック図である。
【図２】本発明の別の実施形態による例示的なＣＡＥＳシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、標準的な圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム、および排出ガス再循環を有するＣＡＥＳシステムに関して記述されている。しかし、本発明の実施形態を他の空気圧縮膨張システムの使用に対して同様に応用できることが、当業者には理解されよう。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による、例えばＣＡＥＳシステムなど例示的な空気圧縮膨張システム１００のブロック図が示されている。ＣＡＥＳシステム１００は、モータ／発電機ユニット１０２、圧縮システム１０６に連結された第１の駆動軸１０４、および膨張システム１１０に連結された第２の駆動軸１０８を備える。クラッチ１１２、１１４は、圧縮システム１０６および膨張システム１１０からモータ／発電機ユニット１０２を、それぞれ選択的にはずす。
【００１５】
一実施形態によれば、圧縮システム１０６は、圧縮システム１０６の入口側１１８で作動流体１１６を受け取り、作動流体１１６を貯蔵圧力（例えば、約５０〜１５０バール）に圧縮し、圧縮機システム１０６の出口側１２２で圧縮作動流体１２０を排出するように構成された、単一の圧縮機ユニットを備える。あるいは、圧縮システム１０６は、互いに直列に連結されたいくつかの圧縮機ユニットを備えることができる。このようにして、そのいくつかの圧縮機ユニットは、作動流体１１６を第１の圧力から第２の圧力までいくつかの圧力段階で圧縮するように構成され、圧縮機ユニットのそれぞれは、作動流体１１６を第１の圧力と第２の圧力との差未満の圧力に圧縮するように構成する。例えば、そのいくつかの圧縮機ユニットは、作動流体１１６を大気圧から貯蔵圧力まで圧縮するように構成されてもよい。同様に、一実施形態によれば、膨張システム１１０は、ある量の貯蔵作動流体１２４を第３の圧力から第４の圧力まで膨張させるように構成された、１つの膨張機またはタービンを備える。あるいは、膨張システム１１０は、互いに直列に連結され、いくつかの圧力段階で動作するように構成されたいくつかの膨張機ユニットを備えることができ、膨張機ユニットのそれぞれは、貯蔵作動流体１２４を第３の圧力と第４の圧力との差未満の圧力だけ膨張させるように構成される。膨張システム１１０は、膨張システム１１０の入口１２６である量の貯蔵作動流体１２４を受け取り、貯蔵作動流体１２４を排出圧力（例えば、約１バール）に膨張させ、膨張システム１１０の出口１２８で膨張作動流体１６６を排出するように構成される。
【００１６】
作動流体１１６は、圧縮システム１０６の入口側１１８でＣＡＥＳシステム１００に入り、作動流体１１６が圧縮機経路１３０を通って移動するにつれて、圧縮システム１０６によって圧縮される。圧縮作動流体１２０は、圧縮システム１０６の出口側１２２から出て、圧縮システム１０６と、例えば天然の洞穴または岩塩洞穴等の、圧縮空気貯蔵容積１３４との間の、第１の経路１３２に沿って移動する。圧縮作動流体１２０は、第１の経路１３２に沿って移動する時、貯蔵に先立って冷却するための任意の熱交換器または最終冷却器１３６（破線で示す）を通過して、二酸化炭素（ＣＯ2）分離システム１３８に入り、そこでＣＯ2が、圧縮作動流体１２０から濾過または分離される。図１に示すように、ＣＯ2分離システム１３８は、圧縮システム１０６の下流および膨張システム１１０の上流で、ＣＡＥＳシステム１００内に配置されている。ＣＯ2分離システム１３８は、例えば溶媒をベースとするＣＯ2回収ユニット、または膜をベースとするＣＯ2回収ユニット等の、ＣＯ2分離ユニット１４０を備える。ＣＯ２分離システム１３８はまた、圧縮作動流体１２０をＣＯ2分離温度に冷却するためのトリム冷却器（ｔｒｉｍ ｃｏｏｌｅｒ）１４４（破線で示す）、および／または任意の前処理デバイス１４６（破線で示す）を含みうる任意の処理システム１４２を備え、この任意の処理システム１４２は、作動流体１１６から微粒子を除去するためにＣＯ2分離ユニット１４０から上流に配置されてもよい。ＣＯ2が希薄なまたはＣＯ2を含まない作動流体１４８は、ＣＯ2分離システム１３８から出て、圧縮空気貯蔵容積１３４に貯蔵される。一実施形態によれば、分離されたＣＯ2１５０は、任意のＣＯ2貯蔵システム１５２（破線で示す）に移動されてもよい。
【００１７】
作動流体１１６は、ＣＯ2分離ユニット１４０を通過するのに先立って圧縮されるので、作動流体１１６のＣＯ2分圧が上昇し、それによってＣＯ2を分離するための駆動力が実質的に増大する。また、ＣＯ2分離システム１３８を通過する作動流体１１６の体積は、圧縮を経て減少するので、より小さなＣＯ2分離ユニットをＣＡＥＳシステム１００に組み込むこむことができ、それによって設備費が減少する。
【００１８】
いくつかの弁１５４、１５６、１５８が、圧縮システム１０６、膨張システム１１０、および圧縮空気貯蔵容積１３４の間に配置されて、ＣＡＥＳシステム１００全体を通して流体の動きを制御する。例えば、弁１５４が閉じられているとき、弁１５６、１５８を開き、ある量の貯蔵作動流体１２４を圧縮空気貯蔵容積１３４と膨張システム１１０との間の第２の経路１６０に沿って移動させることができる。ある量の貯蔵作動流体１２４は、第２の経路１６０に沿って移動する時に、任意の燃焼器１６２（破線で示す）を通過してもよい。貯蔵作動流体１２４は、膨張システム１１０の入口１２６から入り、貯蔵作動流体１２４が膨張経路１６４を通って移動するにつれて、膨張システム１１０によって膨張される。膨張作動流体１６６は、膨張システム１１０の出口１２８でＣＡＥＳシステム１００から出る。
【００１９】
また、図１に示すように、一実施形態によれば、ＣＯ2分離システム１３８は、上述のように、圧縮システム１０６と圧縮空気貯蔵容積１３４との間の第１の経路１３２に沿って流体結合されている。他の実施形態によれば、ＣＯ2分離システム１３８は、例えば位置１６８、１７０、１７２（破線で示す）のいずれかの位置等の、ＣＡＥＳシステム１００内の様々な代替位置に設置されてもよい。ＣＯ2分離システム１３８は、同様に、例えば燃焼器１６２の上流であり膨張システム１１０の下流である位置、または弁１５６と圧縮空気貯蔵容積１３４との間の位置等の他の位置に設置されてもよいことが、同業者には認識されるであろう。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、ＣＡＥＳシステム１００は、貯蔵作動流体１２４が膨張システム１１０内で膨張させられる前に、その貯蔵作動流体１２４を予熱するために、熱交換器１７４（破線で示す）有して任意に構成されてもよい。そのような実施形態では、膨張作動流体１６６の全体または一部は、熱交換器１７４を通過するようにして経路１７６に沿って送られる。
【００２１】
一実施形態では、作動流体１１６は、例えば、約４００ｐｐｍｖのＣＯ2濃度を有する大気である。そのような実施形態では、圧縮システム１０６は、例えば、圧縮作動流体１２０が分離の際に約０．０４バールのＣＯ2分圧を有するように、作動流体１１６を１００バールの貯蔵圧力に圧縮するように構成されてもよい。
【００２２】
あるいは、作動流体１１６は、例えば、約３〜３０％のＣＯ2パーセント量を有する、発電所または産業工程から排出された燃料排ガスであってもよい。例えば、作動流体１１６は、約１５パーセント量のＣＯ2濃度を有する、微粉炭発電所から排出された燃料排ガスであってもよい。この実施形態では、圧縮作動流体１２０は、１００バールの貯蔵圧力、および分離の際に約１５バールの対応するＣＯ2分圧を有しうる。別の例として、作動流体１１６は、約４パーセント量のＣＯ2濃度を有する、天然ガス複合発電から排出された燃焼排ガスであってもよい。この実施形態では、圧縮作動流体１２０は、１００バールの貯蔵圧力に圧縮され、分離の際に約８バールのＣＯ2分圧を有しうる。
【００２３】
膨張システムの共燃焼上流を備えるＣＥＡＳシステム（例えば、天然ガス発電所）のために、膨張システムから出る排出された膨張作動流体の一部は、本発明の実施形態により、圧縮機へ任意に再循環して戻されてもよい。例えば、膨張作動流体１６６の何分の一か（例えば、最大５０％）を含む再循環排ガスまたは再循環流体１７８（破線で示す）は、膨張システム１１０の出口側１２８と、圧縮システム１０６の入口側１１８との間の、再循環経路１８０に沿って送られてもよい。再循環流体１７８は、圧縮システム１０６の入口側１１８で、作動流体１１６と混合される。その結果、圧縮作動流体１２０内のＣＯ2濃度が増加し、したがってＣＯ2分圧が上昇し、ＣＯ2分離がより容易になる。作動流体１１６は、再循環排出流体１７８を取り入れる実施形態では、再循環排出流体１７８を取り入れない実施形態よりも小さい入口流で、圧縮システム１０６に入りうる。
【００２４】
次に図２を参照すると、本発明の一実施形態によるＣＡＥＳシステム１８２のブロック図が示されている。ＣＡＥＳシステム１８２は、圧縮機システム１８６に連結されたモータ１８４、貯蔵洞穴１８８、発電機１９２に連結されたタービンシステム１９０、および例えばＣＯ2分離システム１３８（図１）等のＣＯ2分離システム１９４を備える。ＣＡＥＳシステム１８２はまた、貯蔵洞穴１８８へのおよび貯蔵洞穴１８８からのガスの動きを制御するために操作されうる、いくつかの弁１９６、１９８、２００を備える。
【００２５】
図２に示したように、圧縮機システム１８６は、ギアボックス２０６をそれらの間に有する、第１の圧縮機２０２および第２の圧縮機２０４を備える。タービンシステム１９０は、第１のタービン２０８および第２のタービン２１０を備える。示したように、任意の燃焼器２１２、２１４（破線で示す）が、第１のタービン２０８の入口２１６、および／または第１および第２のタービン２０８、２１０の間の位置に配置されてもよい。本実施形態では２つの圧縮機２０２、２０４のみ示してあるが、圧縮システム１８６は２つよりも多くの圧縮機を備えることができることが意図されている。同様に、タービンシステム１９０は２つよりも多くのタービンを備えることができる。
【００２６】
ガスは、第１の圧縮機２０２の入口２１８で圧縮機システム１８６に入り、圧縮経路２２０を通って移動し、第２の圧縮機２０４の出口２２２で圧縮機システム１８６から出る。ガスは、第１の圧縮機２０２を通過するときに中間圧力に圧縮され、第２の圧縮機２０４を通過するときに最終貯蔵圧力に圧縮される。任意の冷却ユニット２２４（破線で示す）が、第２の圧縮機２０４での圧縮に先立ってガスを予冷却するために、第１および第２の圧縮機２０２、２０４の間に配置されてもよい。
【００２７】
圧縮機システム１８６から出た後、ガスは、圧縮機システム１８６と貯蔵洞穴１８８との間に形成された圧縮ガス経路２２６に沿って移動する。ＣＯ2分離システム１９４は、図１のＣＯ2分離システム１３８について説明したのと同様の方法で、ガスが圧縮空気経路２２６に沿って移動するときに、そのガスからＣＯ2を濾過する。
【００２８】
一実施形態によれば、圧縮ガスが洞穴１８８に貯蔵される前に、圧縮ガスは、洞穴１８８への貯蔵に先立って圧縮空気から熱を除去する任意の冷却ユニット２２８（破線で示す）を通過してもよい。貯蔵に先立って圧縮ガスから熱を除去することにより、洞穴１８８の完全性を保護することができる。冷却ユニット２２８がＣＯ2分離システム１９４の上流に示されているが、あるいは、冷却ユニット２２８は、ＣＯ2分離システム１９４の下流に位置されてもよい。
【００２９】
圧縮ガスは、洞穴１８８に貯蔵された後、タービンシステム１９０へ出口経路２３４に沿って移動する。あるいは、洞穴１８８への中間貯蔵なしに圧縮ガスを圧縮システム１８６からタービンシステム１９０まで直接移動できるようにするために、弁１９６〜２００が操作されてもよい。タービンシステム１９０の構成により、圧縮ガスは、そこを通過するときに膨張し、したがってタービンシステム１９０を回転させることになる。ガスは、第１のタービン２０８を通過するときに中間膨張圧力に膨張し、第２のタービン２１０を通過するときに大気圧にさらに膨張する。タービンシステム１９０の回転が発電機ユニット１９２に接続された駆動軸２３０を回転させることで、発電機ユニット１９２に電力を生じさせる。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、ＣＡＥＳシステム１８２は、任意選択で熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット２３２（破線で示す）を備えることができる。そのような実施形態では、貯蔵洞穴１８８に向かって圧縮空気経路２２６に沿って流れる圧縮ガスは、圧縮ガスから熱を除去するＴＥＳユニット２３２を通過する。この熱は、ＴＥＳユニット２３２によって貯蔵され、その後で、ガスが貯蔵洞穴１８８とタービンシステム１９０との間に形成された出口経路２３４に沿って移動するにつれて圧縮ガスがＴＥＳユニット２３２を再度通過するとき、圧縮ガスに戻される。
【００３１】
図２では、ＣＯ2分離システム１９４は、圧縮機システム１８６の下流であり貯蔵洞穴１８８の上流である位置に示されているが、ＣＯ2分離システム１９４は第１の圧縮機２０２の下流であり第２のタービン２１０の上流であるいかなる位置に配置されてもよいことが、当業者には理解されよう。したがって、様々な実施形態によれば、ＣＯ2分離システム１９４は、例えば、位置２３６、２３８、２４０、２４２（破線で示す）のいずれかの位置に配置されてもよい。
【００３２】
したがって、一実施形態によれば、ガス圧縮膨張システムは、貯蔵区画に流体結合され、貯蔵区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するように構成された圧縮システムを備え、この圧縮システムは、それを通して第１の量のガスを運ぶように構成された圧縮経路を備える。ガス圧縮膨張システムはまた、貯蔵区画に流体結合され、貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張させるように構成された膨張システムを備え、この膨張システムは、それを通して第２の量のガスを運ぶように構成された膨張経路を備える。さらに、ガス圧縮膨張システムは、圧縮経路に流体結合され、第１の量のガスを貯蔵区画に運ぶように構成された第１の経路と、膨張経路に流体結合され、第２の量のガスを貯蔵区画から膨張システムに運ぶように構成された第２の経路と、第１の経路、第２の経路、圧縮経路、および膨張経路のうちの１つに流体結合された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、この二酸化炭素分離ユニットは、第１の量のガスおよび第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【００３３】
別の実施形態によれば、空気圧縮膨張システムの製造方法は、貯蔵容積に貯蔵するための空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップと、第１の空気流経路を圧縮機に連結し、圧縮空気流を貯蔵容積へ運ぶように第１の空気流経路を構成するステップと、ある量の圧縮空気流を受け取りかつそのある量の圧縮空気流を膨張させるようにタービンを構成するステップとを含む。この方法はまた、第２の空気流経路をタービンに連結し、ある量の圧縮空気流を貯蔵容積からタービンへ運ぶように第２の空気流経路を構成するステップと、第１の空気流経路および第２の空気流経路のうちの少なくとも１つに沿って二酸化炭素フィルタを連結し、圧縮空気流からある量の二酸化炭素を濾過するように二酸化炭素フィルタを構成するステップとを含む。
【００３４】
さらに別の実施形態によれば、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、入口および出口を有する圧縮機組立体を備え、圧縮機は、圧縮機組立体の出口で圧縮作動流体を排出するように構成される。ＣＡＥＳシステムはまた、圧縮機の出口の下流に配置されて圧縮作動流体を受け取りかつ貯蔵するように構成された貯蔵容積と、貯蔵容積の下流に配置され、その入口で貯蔵洞穴からの圧縮作動流体を受け取りまたその出口で膨張作動流体を排出するように構成されたタービン組立体と、圧縮機組立体の出口の下流およびタービン組立体の入口の上流に配置された二酸化炭素分離ユニットとを備えており、二酸化炭素分離ユニットは、圧縮作動流体からある量の二酸化炭素を除去するように構成される。
【００３５】
本書では、例を使用して、最良の状態を含む本発明を開示し、また、当業者なら誰でも、任意のデバイスまたはシステムの製造および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含めて本発明を実施することができるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって定義され、また当業者に想起される他の例も含みうる。そのような他の例は、それが、特許請求の範囲の文言に相違しない構造要素を有する場合、または、それが、特許請求の範囲の文言とは実質的に相違しない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲に記載の範囲に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００３６】
１００ 圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム
１０２ モータ／発電機ユニット
１０４ 第１の駆動軸
１０６ 圧縮システム、圧縮機システム
１０８ 第２の駆動軸
１１０ 膨張システム
１１２ クラッチ
１１４ クラッチ
１１６ 作動流体
１１８ 入口側
１２０ 圧縮作動流体
１２２ 出口側
１２４ 貯蔵作動流体
１２６ 入口
１２８ 出口
１３０ 圧縮機経路
１３２ 第１の経路
１３４ 圧縮空気貯蔵容積
１３６ 任意の熱交換器または最終冷却器
１３８ 二酸化炭素（ＣＯ2）分離システム
１４０ ＣＯ2分離ユニット
１４２ 任意の処理システム
１４４ トリム冷却器
１４６ 任意の前処理デバイス
１４８ ＣＯ２が希薄なまたはＣＯ２を含まない作動流体
１５０ 分離されたＣＯ2
１５２ 任意のＣＯ2貯蔵システム
１５４ 弁
１５６ 弁
１５８ 弁
１６０ 第２の経路
１６２ 任意の燃焼器
１６４ 膨張経路
１６６ 膨張作動流体
１６８ 位置
１７０ 位置
１７２ 位置
１７４ 熱交換器
１７６ 経路
１７８ 再循環流体、再循環排出流体
１８０ 再循環経路
１８２ ＣＡＥＳシステム
１８４ モータ
１８６ 圧縮機システム、圧縮システム
１８８ 貯蔵洞穴、洞穴
１９０ タービンシステム
１９２ 発電機、発電機ユニット
１９４ ＣＯ2分離システム
１９６ 弁
１９８ 弁
２００ 弁
２０２ 第１の圧縮機
２０４ 第２の圧縮機
２０６ ギアボックス
２０８ 第１のタービン
２１０ 第２のタービン
２１２ 任意の燃焼器
２１４ 任意の燃焼器
２１６ 入口
２１８ 入口
２２０ 圧縮経路
２２２ 出口
２２４ 任意の冷却ユニット
２２６ 圧縮ガス経路、圧縮空気経路
２２８ 任意の冷却ユニット
２３０ 駆動軸
２３２ 熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット
２３４ 出口経路
２３６ 位置
２３８ 位置
２４０ 位置
２４２ 位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵区画に流体結合され、前記貯蔵区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するように構成された圧縮システムであり、前記第１の量のガスを運ぶように構成された圧縮経路を備える圧縮システムと、
前記貯蔵区画に流体結合され、前記貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張させるように構成された膨張システムであり、前記第２の量のガスを運ぶように構成された膨張経路を備える膨張システムと、
前記圧縮経路に流体結合され、前記第１の量のガスを前記貯蔵区画へ運ぶように構成された第１の経路と、
前記膨張経路に流体結合され、前記貯蔵区画からの前記第２の量のガスを前記膨張システムへ運ぶように構成された第２の経路と、
前記第１の経路、前記第２の経路、前記圧縮経路、および前記膨張経路のうちの１つに流体結合された二酸化炭素分離ユニットとを備え、前記二酸化炭素分離ユニットが、前記第１の量のガスおよび前記第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去するように構成された、ガス圧縮膨張システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素分離ユニットが、溶媒をベースとする分離ユニット、および膜をベースとする分離ユニットのうちの１つを含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項３】
前記圧縮システムが、前記第１の量のガスの圧力を第１の圧力から第２の圧力まで上昇させるように構成され、前記圧縮システムが、前記圧縮経路に流体結合された複数の圧縮機ユニットを備え、
各圧縮機ユニットが、前記第１の量のガスの圧力を前記第１の圧力と前記第２の圧力との差未満のそれぞれの圧力だけ上昇させるように構成された、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項４】
前記膨張システムが、前記第２の量のガスの圧力を第３の圧力から第４の圧力まで下降させるように構成され、前記膨張システムが、前記膨張経路に流体結合された複数の膨張機ユニットを備え、また、
各膨張機ユニットが、前記第２の量のガスの圧力を前記第３の圧力と前記第４の圧力との差未満のそれぞれの圧力だけ下降させるように構成された、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項５】
前記第１の量のガスが大気を含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項６】
前記第１の量のガスが燃焼排ガスを含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項７】
前記膨張システムおよび前記圧縮システムに流体結合された第３の経路をさらに備え、前記第３の経路が、ある量の二酸化炭素が濃縮されたガスを前記膨張システムから前記圧縮システムへ運ぶように構成された、請求項６記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項８】
前記貯蔵区画が洞穴を含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項９】
空気圧縮膨張システムの製造方法であって、
貯蔵容積に貯蔵するための空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップと、
前記圧縮機に第１の空気流経路を連結し、圧縮空気流を前記貯蔵容積へ運ぶように前記第１の空気流経路を構成するステップと、
ある量の圧縮空気流を受け取りかつ前記ある量の圧縮空気流を膨張させるようにタービンを構成するステップと、
前記タービンに第２の空気流経路を連結し、前記ある量の圧縮空気流を前記貯蔵容積から前記タービンへ運ぶように前記第２の空気流経路を構成するステップと、
前記第１の空気流経路および前記第２の空気流経路のうちの少なくとも１つに沿って二酸化炭素フィルタを連結し、前記圧縮空気流からある量の二酸化炭素を濾過するように前記二酸化炭素フィルタを構成するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
前記圧縮機と前記タービンとの間に第３の空気流経路を連結し、前記圧縮機に再循環空気流を送るように前記第３の空気流経路を構成するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
二酸化炭素が濃縮された空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップをさらに含み、前記二酸化炭素が濃縮された空気流が、再循環空気流と燃焼排ガスとの混合気を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記空気流を発電所および産業工程から前記圧縮機へ送るために、前記圧縮機、ならびに前記発電所および前記産業工程のうちの１つに第３の空気流経路を連結するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１３】
入口および出口を有する圧縮機組立体であり、圧縮機が前記圧縮機組立体の前記出口で圧縮作動流体を排出するように構成された、圧縮機組立体と、
前記圧縮機の前記出口の下流に配置され、前記圧縮作動流体を受け取りかつ貯蔵するように構成された貯蔵容積と、
前記貯蔵容積の下流に配置され、その入口で前記貯蔵洞穴からの前記圧縮作動流体を受け取りかつその出口で膨張作動流体を排出するように構成されたタービン組立体と、
前記圧縮機組立体の出口の下流および前記タービン組立体の入口の上流に配置された二酸化炭素分離ユニットとを備える、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムであって、前記二酸化炭素分離ユニットが、前記圧縮作動流体からある量の二酸化炭素を除去するように構成された、ＣＡＥＳシステム。
【請求項１４】
第１の量の作動流体が大気を含み、
前記圧縮機組立体が、
前記圧縮機組立体の入口で、ある大気中二酸化炭素濃度を有する前記作動流体を受け取り、かつ
前記作動流体を圧縮するように構成された、請求項１３記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１５】
前記大気中二酸化炭素濃度が、約０．０４パーセント量である、請求項１４記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１６】
前記第１の量の作動流体が燃焼排ガスを含み、
前記圧縮機組立体が、
前記圧縮機組立体の入口で、ある燃焼排ガス中二酸化炭素濃度を有する前記作動流体を受け取り、かつ
前記作動流体を圧縮するように構成された、請求項１３記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１７】
前記燃焼排ガス中二酸化炭素濃度が、約４パーセント量から１５パーセント量の範囲内である、請求項１６記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１８】
前記圧縮機組立体が、
前記圧縮機組立体の入口で、ある量の作動流体を受け取り、
前記タービン組立体の前記出口からの、ある量の膨張作動流体を含むある量の再循環流体を受け取り、
前記ある量の作動流体と前記ある量の再循環流体との組み合わせを、複合流体混合気に圧縮し、
前記圧縮機組立体の出口で、前記燃焼排ガス中二酸化炭素濃度よりも大きい混合気中二酸化炭素濃度を有する前記複合混合気を排出するように、さらに構成された、請求項１６記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１９】
前記混合気中二酸化炭素濃度が、約８パーセント量である、請求項１８記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項２０】
前記圧縮空気貯蔵容積が、岩塩洞穴を含む、請求項１３記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１】
貯蔵区画に流体結合され、前記貯蔵区画に貯蔵するための第１の量のガスを圧縮するように構成された圧縮システムであり、前記第１の量のガスを運ぶように構成された圧縮経路を備える圧縮システムと、
前記貯蔵区画に流体結合され、前記貯蔵区画からの第２の量のガスを膨張させるように構成された膨張システムであり、前記第２の量のガスを運ぶように構成された膨張経路を備える膨張システムと、
前記圧縮経路に流体結合され、前記第１の量のガスを前記貯蔵区画へ運ぶように構成された第１の経路と、
前記膨張経路に流体結合され、前記貯蔵区画からの前記第２の量のガスを前記膨張システムへ運ぶように構成された第２の経路と、
前記第１の経路、前記第２の経路、前記圧縮経路、および前記膨張経路のうちの１つに流体結合された二酸化炭素分離ユニットとを備え、前記二酸化炭素分離ユニットが、前記第１の量のガスおよび前記第２の量のガスのうちの１つからある量の二酸化炭素を除去するように構成された、ガス圧縮膨張システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素分離ユニットが、溶媒をベースとする分離ユニット、および膜をベースとする分離ユニットのうちの１つを含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項３】
前記圧縮システムが、前記第１の量のガスの圧力を第１の圧力から第２の圧力まで上昇させるように構成され、前記圧縮システムが、前記圧縮経路に流体結合された複数の圧縮機ユニットを備え、
各圧縮機ユニットが、前記第１の量のガスの圧力を前記第１の圧力と前記第２の圧力との差未満のそれぞれの圧力だけ上昇させるように構成された、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項４】
前記膨張システムが、前記第２の量のガスの圧力を第３の圧力から第４の圧力まで下降させるように構成され、前記膨張システムが、前記膨張経路に流体結合された複数の膨張機ユニットを備え、また、
各膨張機ユニットが、前記第２の量のガスの圧力を前記第３の圧力と前記第４の圧力との差未満のそれぞれの圧力だけ下降させるように構成された、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項５】
前記第１の量のガスが大気を含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項６】
前記第１の量のガスが燃焼排ガスを含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項７】
前記膨張システムおよび前記圧縮システムに流体結合された第３の経路をさらに備え、前記第３の経路が、ある量の二酸化炭素が濃縮されたガスを前記膨張システムから前記圧縮システムへ運ぶように構成された、請求項６記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項８】
前記貯蔵区画が洞穴を含む、請求項１記載のガス圧縮膨張システム。
【請求項９】
空気圧縮膨張システムの製造方法であって、
貯蔵容積に貯蔵するための空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップと、
前記圧縮機に第１の空気流経路を連結し、圧縮空気流を前記貯蔵容積へ運ぶように前記第１の空気流経路を構成するステップと、
ある量の圧縮空気流を受け取りかつ前記ある量の圧縮空気流を膨張させるようにタービンを構成するステップと、
前記タービンに第２の空気流経路を連結し、前記ある量の圧縮空気流を前記貯蔵容積から前記タービンへ運ぶように前記第２の空気流経路を構成するステップと、
前記第１の空気流経路および前記第２の空気流経路のうちの少なくとも１つに沿って二酸化炭素フィルタを連結し、前記圧縮空気流からある量の二酸化炭素を濾過するように前記二酸化炭素フィルタを構成するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
前記圧縮機と前記タービンとの間に第３の空気流経路を連結し、前記圧縮機に再循環空気流を送るように前記第３の空気流経路を構成するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
二酸化炭素が濃縮された空気流を圧縮するように圧縮機を構成するステップをさらに含み、前記二酸化炭素が濃縮された空気流が、再循環空気流と燃焼排ガスとの混合気を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記空気流を発電所および産業工程から前記圧縮機へ送るために、前記圧縮機、ならびに前記発電所および前記産業工程のうちの１つに第３の空気流経路を連結するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１３】
入口および出口を有する圧縮機組立体であり、圧縮機が前記圧縮機組立体の前記出口で圧縮作動流体を排出するように構成された、圧縮機組立体と、
前記圧縮機の前記出口の下流に配置され、前記圧縮作動流体を受け取りかつ貯蔵するように構成された貯蔵容積と、
前記貯蔵容積の下流に配置され、その入口で前記貯蔵洞穴からの前記圧縮作動流体を受け取りかつその出口で膨張作動流体を排出するように構成されたタービン組立体と、
前記圧縮機組立体の出口の下流および前記タービン組立体の入口の上流に配置された二酸化炭素分離ユニットとを備える、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムであって、前記二酸化炭素分離ユニットが、前記圧縮作動流体からある量の二酸化炭素を除去するように構成された、ＣＡＥＳシステム。
【請求項１４】
第１の量の作動流体が大気を含み、
前記圧縮機組立体が、
前記圧縮機組立体の入口で、ある大気中二酸化炭素濃度を有する前記作動流体を受け取り、かつ
前記作動流体を圧縮するように構成された、請求項１３記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１５】
前記大気中二酸化炭素濃度が、約０．０４パーセント量である、請求項１４記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１６】
前記第１の量の作動流体が燃焼排ガスを含み、
前記圧縮機組立体が、
前記圧縮機組立体の入口で、ある燃焼排ガス中二酸化炭素濃度を有する前記作動流体を受け取り、かつ
前記作動流体を圧縮するように構成された、請求項１３記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１７】
前記燃焼排ガス中二酸化炭素濃度が、約４パーセント量から１５パーセント量の範囲内である、請求項１６記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１８】
前記圧縮機組立体が、
前記圧縮機組立体の入口で、ある量の作動流体を受け取り、
前記タービン組立体の前記出口からの、ある量の膨張作動流体を含むある量の再循環流体を受け取り、
前記ある量の作動流体と前記ある量の再循環流体との組み合わせを、複合流体混合気に圧縮し、
前記圧縮機組立体の出口で、前記燃焼排ガス中二酸化炭素濃度よりも大きい混合気中二酸化炭素濃度を有する前記複合混合気を排出するように、さらに構成された、請求項１６記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項１９】
前記混合気中二酸化炭素濃度が、約８パーセント量である、請求項１８記載のＣＡＥＳシステム。
【請求項２０】
前記圧縮空気貯蔵容積が、岩塩洞穴を含む、請求項１３記載のＣＡＥＳシステム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１３−５０８６１９（Ｐ２０１３−５０８６１９Ａ）
【公表日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３６８１４（Ｐ２０１２−５３６８１４）
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４９０３３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５６３０１
【国際公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４９０３３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５６３０１
【国際公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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