CN117083456A - 地热氢气生产系统 - Google Patents

Abstract

本公开针对地热氢气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口处返回加热液体，初级液体回路通过脱盐工厂；第一涡轮机，其由加热液体驱动以产生第一机械输出；以及第二涡轮机，其由加热液体驱动以产生第二机械输出，其中第一机械输出驱动发电机，发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动空气压缩机以提供压缩空气供应。

Description

地热氢气生产系统

技术领域

本发明针对地热氢气生产系统。该系统可以直接从地热井驱动或使用二元加热回路间接地从地热井驱动。本发明还涉及组合的地热氢气生产和压缩系统。本发明还针对地热氨气生产系统。

背景技术

澳大利亚正变得越来越炎热干燥，因此淡水变得稀缺。此外，人们正变得越来越具有环保意识并正在寻求更清洁、更绿色的产品。

尽管太阳能和风能具有低排放物，但是它们目前无法提供负担得起的基础负荷电力。相比之下，地热能可以提供无限的、零排放物的基础负荷能源，但钻探成本历来很高，并将其限制在浅深度高温地区使用。

人们通常将地热能与新西兰、印度尼西亚和菲律宾等国家联系起来，这些国家地质活动活跃，并且在这些国家钻探到2000米或以下就足以获得生产可用能源所需的高温。然而，期望在世界上任何地方利用地热能源来生产淡水和可再生电力。

以前的在澳大利亚的大规模地热的尝试遭到了高钻探成本以及使用常规的石油和天然气钻探技术的技术和环境问题的阻碍。但是，非常期望利用深层热量的能力并利用这种能源提供低成本的脱盐、加热、冷却或泵送、发电以及绿色氢气生产。

零排放物电力和水可用于以低于太阳能/电池生产的绿色氢气的成本来生产“绿色”氢气。盐水脱盐的过程可以生产有价值的副产品，例如高质量的盐、钾碱和其他矿物质，而绿色氢气可以为未来提供期望的液体燃料和潜在的清洁能源储存解决方案。

通过使用化石燃料产生电力来生产和提供典型的水输送方案，这又产生大的碳足迹。然而，任何含有碳足迹的用水生产的氢气产物都不能称为“绿色”氢气。

一旦生产并储存，绿色氢气就可用于为燃料电池氢气电动汽车和其他重型交通工具(例如轮船、火车和飞机)提供动力。氢气还可以为涡轮机和工厂提供能源，还可以直接地在家里作为天然气的替代品用于烹饪和加热。在目前的脱碳运动中，绿色氢气提供了一种可能的低碳燃料替代物，以取代我们的社会当前所依赖的化石燃料。

氨气(NH₃)是用于粮食生产的重要产品，用于生产肥料以养活人口。当前的氨气生产方法涉及使用化石燃料驱动的系统将氮气与空气分离，并将该氮气与氢气结合，氢气通常源自天然气或煤炭。这个过程虽然实用但是却很脏并且增加了全球的二氧化碳(CO₂)排放物。

本发明是考虑到这些缺点而构思的。

除非另外定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属技术领域中的普通技术人员通常所理解的含义相同。尽管与本文中描述的那些相似或等同的任何方法和材料也可以在本发明的实践或测试中使用，但是本文中描述了有限数量的示例性方法和材料。

发明内容

本发明大体上针对一种系统或工厂，用于生产淡水和电力，并且使用零排放物电力和淡水供给电解槽以在其中将淡水分离为其组成部分，氧气和氢气。要供应电解槽的淡水生产和发电都直接地或间接地由地热能提供动力。地热能是从地热井中的一个或多个中抽取的，地热井的输出基于输入井口的流体而高度可控。此外，供给和驱动系统阶段之间的流体连通所需的泵也由地热能驱动，从而避免了来自不可再生来源的补充电输入。

该发明促进了绿色氢气的生产，与已知方法相比，绿色氢气的生产无排放物、成本相对较低。本发明使用地热产生的电力和零排放蒸馏水，该零排放蒸馏水供应到氢气电解槽以将其分离为氧气和氢气。由于上述系统产生的电力和水都不产生排放物，因此所得氢气可以真正地被称为“绿色的”。

本发明的地热氢气生产系统可以在不使用电池或电力传输的情况下24小时全天候地生产氢气。这将满足提供持续不断的可再生热能、电力和水输送的基础负荷需求，以进行最大限度的氢气生产。

可以预期，本文中所述的系统能够从每口地热井中每小时生产40-100kg千克的氢气。因此，基于一公顷土地每年可容纳多达10,000吨的绿色氢气生产，该系统可以扩展到澳大利亚和出口市场所需的产出。这与诸如太阳能之类的替代能源形成对比，这些替代能源需要相当多的土地，例如，一公顷太阳能面板每年只能产生87吨氢气。

本文中所述的系统的其他好处是安装和维护此类系统所需的资金支出大大低于太阳能或电池供电的氢气生产工厂的资金支出。

本文中所述的系统不需要化石燃料、太阳能或风能发电，不需要传输电力，不需要清理树木用于传输管线，也没有排放物或有毒废物。

基于通过远程地改变井口处的流体流量实现的在0％-100％的之间的泵送量的井输出，系统的产出很容易改变并且完全灵活。

在维护和运行成本上实现了额外的节省，因为一旦钻探和安装，单个地热井就可以在数百年的时间内以非常低的成本产生热能。

目前，澳大利亚政府已经制定用于绿色氢气生产的每kg9.10澳元的2030年目标。然而，该生产成本估算不包括输送30至40升的加热水用于蒸馏和电解以仅生产1kg氢气的成本。还需要其他的太阳能或风能容量和运营成本用于将9升热蒸馏水输送到电解槽并在产生氢气后压缩氢气。计算目前的地热系统以该目标价格的四分之一进行生产，包括输送海水、蒸馏海水、输送蒸馏水和压缩氢气的成本。这为目前考虑氢气价格而要将它们排除在这项技术之外的行业打开了机会，例如：运输；家庭汽车；重型运输行业；烹饪和供热；以及许多出口市场。

在一个实施例中，提供了一种地热氢气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，该初级液体回路通过脱盐工厂；第一涡轮机，其由加热液体驱动以产生第一机械输出；第二涡轮机，其由加热液体驱动以产生第二机械输出；供应泵，其将盐水输送到脱盐工厂；以及淡水泵，其将淡水从脱盐工厂输送到电解槽，其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供压缩空气供应。

尽管没有参考本文中所述的本发明的每个实施例明确地重复，但应该理解以下特征适用于本文中所述的本发明的每个实施例，其中：

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动启动泵以启动初级液体回路。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动循环泵以循环次级回路中的工作介质。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动卤水泵泵送来自脱盐工厂的卤水。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动废水泵泵送来自电解槽的废水。

在一些实施例中，供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵中的任何一个或多个可以配置为由发电机产生的电力驱动。

在一些实施例中，供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵中的任何一个或多个可以配置为由外部电力供应驱动。外部电力供应可以从电力网中抽取或由可再生能源产生：例如风、太阳能、波浪和潮汐。供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵中的任何一个或多个可以配置为由可再生能源或电力网供应的能源或由电池直接地驱动。

根据本发明的第一方面，提供了一种地热氢气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，该初级液体回路通过脱盐工厂；第一涡轮机，其由加热液体驱动以产生第一机械输出；以及第二涡轮机，其由加热液体驱动以产生第二机械输出，其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。由于初级液体通过脱盐工厂，其中的热能用于在将液体重新注入地热井中之前蒸馏脱盐工厂中的盐水(或海水)。

使用废热能或排出的热能(在产生电力之后)而不是使用电力来提供机械能需求提高了系统的效率。它进一步提高了供出售或氢气生产的可用的净电力水平，并降低了绿色氢气生产和压缩的成本。

在一些实施例中，由地热能产生的电力的一部分可以提供用于空气和氢气的泵送和压缩，尽管这会减少供出售或氢气生产的可用的净电力量。该系统作为整体被认为是绿色的，因为电是绿色的并驱动其他机械需求。用例如太阳能或风能的替代能源，别无选择，因为没有可用的热能(热量)来提供这些额外的需求，这是太阳能和风能产生的绿色氢气如此昂贵的众多原因之一(导致水输送、水处理、水加热和氢气压缩的额外成本)。

使用本发明的设想的地热能生产系统，其中使用一些电力而不是使用废物热能用于这些泵送和压缩需求，然后必须通过替代手段去除初级流体回路和次级流体回路中的热量。这可能涉及，例如冷却器和/或冷凝器，冷却器和/或冷凝器需要对系统的额外电力输入。同样，由产生的电力驱动这些额外的组件将进一步降低供出售或氢气生产的可用的净电力。

使用系统的废热能用于脱盐、泵送和/或氢气的压缩更有效和有成本效益。因此，该设计有两个目的：它用于初级回路和次级回路所需的冷却和冷凝(这最多会使用所产生电力的40％)；它用于更高的用于出售或氢气生产的净电力量。通过计算，结果是到2023年绿色氢气生产和/或压缩成本低于每kg2.00澳元。到2030年这些成本可能会降低至每kg1.00澳元左右，改善了用于氢气生产的电解槽的成本、性能和寿命。

初级液体通过脱盐工厂，除去热能以蒸馏脱盐工厂中的盐水来生产淡水和卤水。在一些实施例中，在加热液体被引入脱盐工厂之前，加热液体可以循序地供给到第一涡轮机、然后第二涡轮机。

在一些实施例中，初级液体回路中的初级液体可以是水。在初级液体回路中的液体返回地热孔以进行重新加热之前，初级液体回路中的液体可以被传送到第一涡轮机和第二涡轮机下游的脱盐工厂。初级回路的加热液体可以以冷却状态从脱盐工厂排出，以传送回地热井的井口来进行重新加热。

初级液体回路的循环一旦由启动泵启动，该循环可以通过热虹吸效应来维持，从而以第一温度将液体吸入地热井中，同时以大于第一温度的第二温度迫使加热液体从井口排出。

热虹吸效应是一种由对流维持的被动热交换的方式，以循环初级液体回路中的液体，而不需要机械泵。一旦启动到回路的第一部分的传热，热的变化将导致密度变化，从而促使回路的一部分中的较热、密度较小的液体上升，同时回路中较冷、密度较大的液体下沉：使用自然对流抽吸回路周围的液体往返于热源。

在一些实施例中，第一涡轮机和第二涡轮机可以串联连接，以使加热液体循序地从第一涡轮机行进到第二涡轮机。

在一些实施例中，加热液体的一部分可能会经受压力变化以产生水蒸汽来驱动涡轮机。加热液体可能会在分离器或闪蒸分离器中经受压力变化。初级液体回路中的液体的一部分可以从分离器或闪蒸分离器中输出，并与从涡轮机排出的初级回路中的液体混合，以升高初级液体回路中的液体的温度。

在来自每个分离器或闪蒸分离器中的残留流体引入随后的涡轮机之前，来自每个分离器或闪蒸分离器中的残留流体可以重新引入初级液体回路。初级液体回路中的液体的一部分可以从分离器或闪蒸分离器中输出，并与从涡轮机排出的初级回路中的液体混合，以升高初级液体回路中的液体的温度。

在初级液体回路中的液体返回地热孔进行重新加热之前，初级液体回路中的液体传送到涡轮机下游的脱盐工厂。在一些实施例中，一旦初级液体回路的循环由启动泵启动，该循环可以通过热虹吸效应来维持，从而以第一温度将液体吸入地热井中，同时以大于第一温度的第二温度迫使加热液体从井口排出。

在一些实施例中，空气储存罐可以包括在第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个中，以储存压缩空气。

在一些实施例中，该系统还可以包括第二压缩机，该第二压缩机由来自第二涡轮机的第二机械输出驱动并配置为压缩电解槽产生的氢气。

在一些实施例中，空气真空泵可以连接到空气压缩机的上游，使得空气真空泵由吸入到空气压缩机中的环境空气流驱动。真空管线可以连接到真空泵，以从脱盐工厂的至少一个腔室中抽出空气。

第一压缩空气供应可以驱动位于盐水孔内的供应泵。供应泵可以是空气泵。由供应泵排出的压缩空气可以将盐水从盐水孔驱动到脱盐工厂的第一腔室的入口。可以将盐水喷入脱盐工厂的第一腔室中，并由通过脱盐工厂的来自初级液体回路的液体的流动加热。来自脱盐工厂的淡水可以直接地泵送到电解槽中，以分离(分解)为氧气和氢气。

初级液体回路一旦启动可以通过热虹吸效应来维持，从而以第一温度将液体吸入地热井中，同时以大于第一温度的第二温度迫使加热液体从井口排出。

可以驱动供应泵和启动泵，以同时启动初级回路的液体和次级回路的工作介质。一旦初级液体回路移动，启动泵可以停用。

在一些实施例中，该系统还可以包括第三涡轮机，该第三涡轮机由初级液体回路的加热液体驱动以产生第三机械输出，第三机械输出配置为驱动压缩机压缩由电解槽产生的氢气。

可以收集压缩氢气并以1000巴将其储存，以最大化在任何给定的气缸容量中储存的氢气的数量。第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机中的至少一个可以被替换为螺杆膨胀机、涡轮机、ORC涡轮机、发动机、蒸汽机或水车。

在一个实施例中，提供了一种地热氢气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级回路的加热液体供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，并且初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出，其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供压缩空气供应。

根据本发明的第二个方面，提供了一种使用次级回路的地热氢气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体；加热液体供给到热交换器以加热通过脱盐工厂的次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机和第二涡轮机产生第一机械输出和第二机械输出；并且其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动空气压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，系统还可以包括第二压缩机，该第二压缩机由来自第二涡轮机的第二机械输出驱动并配置为压缩由电解槽产生的氢气。在一些实施例中，第三涡轮机可以由以下任一项驱动：(i)初级液体回路的加热液体；或(ii)次级回路的加热工作介质，以产生第三机械输出，其中第三机械输出配置为驱动压缩机以压缩由电解槽产生的氢气。

当工作介质通过脱盐工厂时，在将工作介质引导回热交换器以进行重新加热之前，其中的热能用来蒸馏脱盐工厂中的盐水(或海水)。初级液体回路中的液体可以是水。在一些实施例中，供应泵可能是空气泵。工作介质通过脱盐工厂，除去热能以蒸馏脱盐工厂中的盐水来生产淡水和卤水。

在一些实施例中，空气压缩机可以进一步提供第四压缩空气供应，以驱动循环泵循环次级回路中的工作介质。空气压缩机可以进一步提供第四压缩空气供应，以驱动循环泵循环次级回路中的工作介质。

在一些实施例中，提供了第五压缩空气供应，该第五压缩空气供应配置为驱动盐卤水泵泵送来自脱盐工厂的盐卤水。初级液体回路中的液体可以是水。在一些实施例中，次级回路中的工作介质可以是具有低沸点的二元流体。工作介质可以是正戊烷。在次级回路中的工作介质返回热交换器进行重新加热之前，次级回路中的工作介质可以传送到脱盐工厂。

在一些实施例中，初级液体回路一旦启动可以通过热虹吸效应来维持，从而以第一温度将液体吸入地热井中，同时以大于第一温度的第二温度迫使加热液体从井口排出。可以驱动供应泵和启动泵以同时启动初级回路的液体和次级回路的工作介质。一旦初级液体回路运动，就可以停用启动泵，因为热虹吸效应将提供自然的泵送作用，以维持初级回路中的液体运动。

储存罐可以包括在第一压缩空气供应、第二压缩空气供应、第三压缩空气供应、第四压缩空气供应、和第五压缩空气供应中，以储存压缩空气。

在一些实施例中，空气真空泵可以连接到空气压缩机的入口，使得空气真空泵由通过真空泵吸入空气压缩机中的环境空气流驱动。真空管线可以连接到真空泵，以从脱盐工厂的至少一个腔室抽出空气。

第一压缩空气供应可以驱动位于盐水孔、海洋或盐水大坝内的供应泵。供应泵可以是空气泵。从供应泵排出的压缩空气可以将盐水从盐水孔或海洋或盐水大坝驱动到脱盐工厂的第一腔室的入口。可以将盐水喷入脱盐工厂的第一腔室中，并由通过脱盐工厂的次级回路中的工作介质的流动加热。

从地热井中抽出的热量用于向脱盐工厂提供热能，该脱盐工厂将在MED脱盐工厂内部在真空状态下使海水或盐水沸腾。

本发明使用低焓地热系统来：(i)驱动脱盐工厂，该脱盐工厂输送来自盐水孔、海洋或盐水储存大坝或罐的海水或盐水供应；(ii)驱动脱盐工厂中需要的真空系统，而无需额外电力；(iii)向氢气电解槽供应淡水和提供电力。

初级液体回路通过热虹吸效应来维持，从而将初级流体流提供到深地热井的表面。初级液体可以是水或蒸馏水。

热虹吸效应将初级液体流提供到深地热井的表面。当将在大约50℃的温度的液体或淡水抽取到地热井的环中以被井中的热地质加热时，就会发生这种效应。热虹吸效应负责将加热的水推回井的表面，在这种情况下，将热能输送到表面不需要能量输入来维持热能流动。

通常，需要电力将海水或盐水输送到MED脱盐工厂或反渗透(RO)脱盐工厂，电力用于在蒸发盐水的脱盐工厂的腔室内产生真空，电力再次用于泵送淡水和卤水离开MED装置。

本发明利用由热能驱动的空气压缩机来至少减少(在一些情况下消除)对额外电力的需求。这是通过使用螺杆膨胀机、涡轮机或水车系统来实现的，螺杆膨胀机、涡轮机或水车系统将初级液体流(来自流体流的热能)转化为旋转力或活塞力形式的机械输出。该机械输出可以直接地或间接地驱动空气压缩机向空气泵提供动力，或者替代地可以用于驱动发电机来发电。

空气压缩机利用压缩机的吸力侧(入口)在MED装置的腔室内创建真空，压缩机的压力侧(出口)提供用于驱动一个或多个空气泵的压缩空气。一个或多个空气泵用于将盐水输送到MED装置，不管盐水是来自盐水孔(海滩或内陆)，来自储存罐或大坝，还是来自海洋。

可以使用由压缩空气源驱动的额外的泵来启动和/或协助初级流体回路和/或次级流体回路的循环，从而促使水通过地热井，以收获热能来驱动回路。在一个实施例中，可以将次级泵集成到初级液体回路中，以促进热虹吸效应的启动。该泵可以是空气泵或空气驱动泵。

空气泵的使用提供的优势在于没有会在盐水中腐蚀的活动部件。这提供了系统的可靠性和系统的寿命上的优势，并降低了维护成本。与使用或产生电力用于这些目的相比，直接地驱动空气压缩机以创建真空并使盐水移动往返于MED装置也更加能量高效。

在一些实施例中，该系统还可以包括第三涡轮机，该第三涡轮机由次级回路的加热工作介质驱动以产生第三机械输出，第三机械输出配置为驱动压缩机以压缩由电解槽产生的氢气。可以收集压缩氢气并以1000巴将其储存，可以使氢气保持液态。第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出中的任何一个都可以直接地或间接地驱动泵、压缩机或发电机。

从安全的角度来看，本发明还提供的优势是降低(在一些情况下消除)在盐水环境中使用危险电力。

本发明使用螺杆膨胀机、涡轮机、PRC涡轮机、发动机、蒸汽机或水车，螺杆膨胀机、涡轮机、PRC涡轮机、发动机、蒸汽机或水车将来自初级液体回路中的液体的能量(来自流动流体的热能)转化为旋转力或活塞力形式的机械输出。该机械输出可以直接地或间接地驱动泵或压缩机，或替代地可以用于驱动发电机来发电。

与由电力驱动的传统泵相比，本发明提供较低运行成本用于水泵送。

本发明的地热氢气生产系统产生零排放物，因为地热能用于提供所有能量和泵送需求。一旦初级流体回路运行，热虹吸就提供热能而无需井泵送，从而提供低成本的可再生能源。

据计算，可以从一个单个地热井中获得100至500马力的泵送能量，并且与太阳能或风能相对比这种能源几乎是持续不断的，太阳能或风能会有很大波动，取决于一天中的时间和一年中的时间。

与风能和太阳能的其他比较表明地热能具有很小的物理占用空间，因此使周围的土地不受影响，可用于替代用途。此外，这大大降低了地热氢气生产系统的环境影响，因为不需要输电线、不需要清理树木、没有排放物以及不产生有毒废物，并且在安装后可以修复地热孔上方和周围的土地。地热脱盐和泵送也对天气事件和丛林火险有抵抗力。

本发明提供的额外优势在于，需要最少的井或泵维护、无输电线维护或无通过长距离传输的电力损失、不需要给太阳能电池板除尘。蒸汽机和蒸汽膨胀机的使用具有较长的寿命，并且具有已证明的可靠性的追踪记录，已知示例运行长达100年。

一旦钻孔并安装，单个地热井将生产数百年，同时可以远程地控制井口流以调节所达到的泵送量。

上述优势用于大大降低典型的脱盐和泵送成本以及大大减少CO₂排放物。

使用热虹吸效应由单个井地热能系统驱动的地热脱盐和泵送系统不会产生通常由RO脱盐工厂产生的塑料废物。此外，这些地热能系统不会产生CO₂排放物，不会产生来自定期处置太阳能电池板和风力涡轮机叶片的有毒废物，不需要额外的发电和电力传输，并且对环境具有低得多的负面影响。据计算，地热脱盐和泵送系统可以生产比RO脱盐系统便宜至8倍的淡水，无论RO脱盐系统是由化石燃料还是由太阳能、风能、或电池供电系统产生的电力驱动。

在一些实施例中，空气压缩机可以提供第三压缩空气供应，该第三压缩空气供应配置为泵送来自脱盐工厂的盐卤水。初级液体回路中的液体可以是水。

在一些实施例中，加热液体的一部分可以经受压力变化以产生蒸气来驱动第一涡轮机和第二涡轮机。加热液体可以在分离器或闪蒸分离器中经受压力变化。

在一些实施例中，初级液体回路中的液体的一部分可以从第一闪蒸分离器中输出并与从第一涡轮机排出的初级回路中的液体混合，以升高初级液体回路中液体的温度。在一些实施例中，初级液体回路中的液体的一部分可以从第二闪蒸分离器中输出并与从第二涡轮机排出的初级回路中的液体混合，以升高初级液体回路中液体的温度。

初级液体回路中的液体在返回地热孔以进行重新加热之前可以传送到第一涡轮机和第二涡轮机各自下游的脱盐工厂。

在一些实施例中，初级液体回路的循环一旦由启动泵启动可以通过热虹吸效应来维持，从而以第一温度将液体吸入地热井中，同时以大于第一温度的第二温度迫使加热液体从井口排出。

空气储存可以包括在到第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个中，以储存压缩空气。

在一些实施例中，空气真空泵可以连接到空气压缩机的入口，使得空气真空泵由通过真空泵吸入到空气压缩机中的环境空气流驱动。真空管线可以连接到真空泵，以从脱盐工厂的至少一个腔室中抽出空气。

第一压缩空气供应可以驱动位于盐水孔、或海洋、或大坝的盐水储存罐中的供应泵。供应泵可以是空气泵。

在一些实施例中，从供应泵排出的压缩空气可以将来自盐水孔或海洋或储存罐或大坝的盐水驱动到脱盐工厂的第一腔室的入口。可以将盐水喷入脱盐工厂的第一腔室中，并由来自通过脱盐工厂的初级回路中的液体流加热。

在一些实施例中，第一涡轮机和第二涡轮机中的至少一个可以换成蒸汽机或螺杆膨胀机。

在一些实施例中，还提供了第三压缩空气供应，该第三压缩空气供应配置为驱动卤水泵以输送盐卤水离开脱盐工厂。

本发明的地热脱盐和泵送系统提供了上述与地热氢气生产系统有关的所有优势，包括零排放物、降低的安装成本和维护成本、长使用寿命、相对较小的物理占用空间(与风能或太阳能相比)、无有毒废物、以及可靠的稳定的长期能源供应。

在一些实施例中，提供了第四压缩空气供应，以驱动循环泵循环次级回路中的工作介质。

在一些实施例中，可以由空气压缩机产生第五压缩空气供应，该第五压缩空气供应配置为驱动空气泵泵送盐卤水离开脱盐工厂。

在一些实施例中，可以由初级液体回路的加热液体直接地驱动涡轮机。在一些实施例中，可以由次级回路驱动涡轮机，其中来自初级液体回路的加热液体的热量向次级回路的工作介质提供热量以驱动涡轮机。在一些实施例的初级回路和次级回路之间进行热传递可以通过热交换器。

在一些实施例中，抽吸环境空气穿过空气压缩机可以通过空气真空泵进行。从脱盐工厂的至少一个腔室抽吸空气可以由真空泵通过真空管线在其中创建真空。

在一些实施例中，涡轮机可以被替换为螺杆膨胀机、蒸汽机和ORC涡轮机中之一。在一些实施例中，涡轮机可以包括一系列涡轮机。在一些实施例中，空气压缩机可以是螺杆压缩机或活塞压缩机。该方法还可以提供第三压缩空气供应，该第三压缩空气供应配置为驱动卤水泵以输送盐卤水离开脱盐工厂。还可以将盐水孔被替换为海洋或盐水大坝，以提供要输送到脱盐工厂的盐水的来源。

在一个实施例中，提供了一种地热氢气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体通过初级液体回路中的脱盐工厂，初级回路的加热液体通过热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供压缩空气供应。

根据第三个方面，本发明提供了一种地热氢气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体通过初级液体回路中的脱盐工厂，初级回路的加热液体通过热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，系统还可以包括第二压缩机，该第二压缩机由来自第二涡轮机的第二机械输出驱动并配置为压缩由电解槽产生的氢气。在一些实施例中，系统还可以包括第三涡轮机，该第三涡轮机可以由以下任一项驱动：(i)初级液体回路的加热液体；或(ii)次级回路的加热工作介质，以产生第三机械输出，其中第三机械输出配置为驱动压缩机以压缩由电解槽产生的氢气。

在另一实施例中，提供了一种地热氢气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体在通过脱盐工厂之前供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；并且其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供压缩空气供应。

在另一实施例中，提供了一种地热氢气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体在通过脱盐工厂之前供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；并且其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。当工作介质通过脱盐工厂时，在将工作介质引导回热交换器以进行重新加热之前，其中的热能用于蒸馏脱盐工厂中的盐水(或海水)。

在一些实施例中，次级回路可以包括淡水冷凝器，该淡水冷凝器配置为在来自脱盐工厂的淡水输送到电解槽之前从次级回路中吸取热量以加热来自脱盐工厂的淡水。次级回路可以包括盐水冷凝器，该盐水冷凝器配置为在将盐水供应到脱盐工厂之前从次级回路中吸取热量以加热盐水。

在一个实施例中，提供了一种地热氢气生产和压缩系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体通过初级液体回路中的脱盐工厂，初级回路的加热液体通过热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动第一空气压缩机和第二空气压缩机，第一空气压缩机配置为压缩空气，第二空气压缩机配置为压缩氢气，其中第一空气压缩机提供压缩空气供应。

在一个实施例中，提供了一种地热氢气生产和压缩系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体通过初级液体回路中的脱盐工厂，初级回路的加热液体通过热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动第一空气压缩机和第二空气压缩机，第一空气压缩机配置为压缩空气，第二空气压缩机配置为压缩氢气，其中第一空气压缩机提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应，第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，次级回路还可以包括淡水冷凝器，该淡水冷凝器配置为在来自脱盐工厂的淡水输送到电解槽之前从次级回路中吸取热量以加热来自脱盐工厂的淡水。次级回路还可以包括盐水冷凝器，该盐水冷凝器配置为在将盐水供应到脱盐工厂之前从次级回路中吸取热量以加热盐水。

当初级液体通过脱盐工厂时，在液体重新注入地热井中之前，其中的热能用于蒸馏脱盐工厂的盐水(或海水)。

在另一实施例中，提供了一种地热氢气生产和压缩系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级回路的加热液体供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动第一压缩机和第二压缩机，第一压缩机配置为压缩空气，第二压缩机配置为压缩氢气。

在另一实施例中，提供了一种地热氢气生产和压缩系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级回路的加热液体供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动第一压缩机和第二压缩机，第一压缩机配置为压缩空气，第二压缩机配置为压缩氢气，其中第一压缩机提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应，第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

当工作介质通过脱盐工厂时，在将工作介质引导回热交换器以进行重新加热之前，其中的热能用于蒸馏脱盐工厂的盐水(或海水)。

在一些实施例中，次级回路可以包括淡水冷凝器，该淡水冷凝器配置为在来自脱盐工厂的淡水输送到电解槽之前从次级回路中吸取热量以加热来自脱盐工厂的淡水。次级回路可以包括盐水冷凝器，该盐水冷凝器配置为在将盐水供应到脱盐工厂之前从次级回路中吸取热量以加热盐水。

在又一实施例中，提供了一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能驱动并由压缩空气驱动的氢气，包括以下步骤：将液体供给到地热井中并从地热井的井口抽出加热液体以形成初级液体回路，初级液体将热能输送到脱盐工厂；将来自初级液体回路的加热液体传送到第一涡轮机和第二涡轮机，以分别产生第一机械输出和第二机械输出；将第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将第二机械输出引导到压缩机以产生压缩空气供应。

在一些实施例中，可以引导压缩空气供应驱动以下任一项或多项：供应泵，其配置为将盐水驱动到脱盐工厂；启动泵，其启动初级液体回路；淡水泵，其将淡水从脱盐工厂泵送到电解槽以分解为氢气和氧气；循环泵，其循环次级回路中的工作介质；卤水泵，其泵送来自脱盐工厂的卤水；以及废水泵，其泵送来自电解槽的废水。初级液体回路中的液体可以是水或蒸馏水。

根据第四方面，本发明提供了一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：将液体供给到地热井中并从地热井的井口抽出加热液体以形成初级液体回路，初级液体将热能输送到脱盐工厂；将来自初级液体回路的加热液体传送到第一涡轮机和第二涡轮机，以分别产生第一机械输出和第二机械输出；将第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将第二机械输出引导到压缩机以产生第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动配置为将盐水驱动到脱盐工厂的供应泵，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽以分解为氢气和氧气。

在一些实施例中，该方法可以包括由初级液体回路的加热液体直接地驱动涡轮机的步骤。

该方法还可以包括以下步骤：由第二涡轮机的第二机械输出驱动第二压缩机，第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气。该方法还可以包括以下步骤：将来自初级液体回路的加热液体传送到第三涡轮机以产生第三机械输出，以及将第三机械输出引导到第二压缩机，该第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气。

该方法可以包括以下步骤：由次级回路驱动第一涡轮机和第二涡轮机中至少一个，其中来自初级液体回路的加热液体的热量向次级回路的工作介质提供热量以驱动涡轮机。一些实施例的初级回路和次级回路之间的热传递可以通过热交换器进行。

在一些实施例中，该方法可以包括以下步骤：抽吸环境空气穿过空气压缩机可以通过空气真空泵进行。该方法可以包括以下步骤：从脱盐工厂的至少一个腔室抽取空气以由真空泵通过真空管线在其中创建真空。该方法可以包括以下步骤：将第一涡轮机和第二涡轮机中的至少一个被替换为螺杆膨胀机、蒸汽机和ORC涡轮机。

该方法可以包括以下步骤：进一步将加热液体或加热工作介质传送到第三涡轮机，以产生第三机械输出来向压缩机供电。第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机中的至少一个可以包括一系列涡轮机。空气压缩机可以是螺杆压缩机或活塞压缩机。在一些实施例中，可以将盐水孔被替换为海洋或盐水大坝，以提供要输送到脱盐工厂的盐水的来源。

在第五方面，本发明提供了一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：将液体供给到地热井中并从地热井的井口抽出加热液体，初级回路的加热液体供给到换热器以加热次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机和第二涡轮机，以分别产生第一机械输出和第二机械输出；将第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将第二机械输出引导到第一压缩机以产生第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水驱动到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽以分解为氢气和氧气。

根据另一方面，本发明提供了一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：将液体供给到地热井中并从地热井的井口抽出加热液体以形成初级液体回路，初级液体将热能输送到脱盐工厂；将初级回路的加热液体供给到换热器以加热次级回路的工作介质，其中分别地次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级液体回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；将第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将第二机械输出引导到压缩机以产生第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应配置为驱动供应泵以将盐水驱动到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽以分解为氢气和氧气。

该方法还可以包括以下步骤：由第二涡轮机的第二机械输出驱动第二压缩机，第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气。该方法还可以包括以下步骤：将来自初级液体回路的加热液体传送到第三涡轮机以产生第三机械输出，以及将第三机械输出引导到第二压缩机，该第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气。

该方法可以包括以下步骤：由次级回路驱动第一涡轮机和第二涡轮机中至少一个，其中来自初级液体回路的加热液体的热量向次级回路的工作介质提供热量以驱动涡轮机。一些实施例的初级回路和次级回路之间的热传递可以通过热交换器进行。

在一些实施例中，该方法可以包括以下步骤：抽吸环境空气穿过空气压缩机可以通过空气真空泵进行。该方法可以包括以下步骤：从脱盐工厂的至少一个腔室抽取空气以由真空泵通过真空管线在其中创建真空。该方法可以包括以下步骤：将第一涡轮机和第二涡轮机中的至少一个被替换为螺杆膨胀机、蒸汽机和ORC涡轮机。

该方法可以包括以下步骤：进一步将加热液体或加热工作介质传送到第三涡轮机，以产生第三机械输出来向压缩机提供动力。第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机中的至少一个可以包括一系列涡轮机。空气压缩机可以是螺杆压缩机或活塞压缩机。在一些实施例中，可以将盐水孔被替换为海洋或盐水大坝，以提供要输送到脱盐工厂的盐水的来源。

该方法还可以包括以下步骤：由第二涡轮机的第二机械输出驱动第二压缩机，第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气。该方法还可以包括以下步骤：将来自初级液体回路的加热液体传送到第三涡轮机以产生第三机械输出，以及将第三机械输出引导到第二压缩机，该第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气。

在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤：通过淡水冷凝器从次级回路的工作介质中吸收热量，以在将来自脱盐工厂的淡水输送到电解槽之前加热来自脱盐工厂的淡水；或通过盐水冷凝器从次级回路的工作介质中吸收热量，以在将盐水输送到脱盐工厂之前加热盐水。

次级回路中的工作介质可以是具有低沸点的二元流体。工作介质可以是正戊烷。

在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤：由发电机向供应泵、启动泵和淡水供应泵中的至少一个供电。

在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤：使用空气驱动供应泵从盐水来源泵送盐水，以将盐水输送到脱盐工厂。

在一些实施例中，提供了一种地热氨气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级液体回路通过脱盐工厂；第一涡轮机和第二涡轮机，由加热液体驱动，以产生第一机械输出和第二机械输出；其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向(i)通过淡水电解产生氢气的电解槽和(ii)氨气生产工厂供电，第二机械输出驱动空气压缩机，该空气压缩机抽吸环境空气穿过氮气工厂以将氮气从环境空气分离来供给到氨气生产工厂，其中第一机械输出和第二机械输出中的任一个配置为驱动供应泵和淡水泵中的至少一个，供应泵将盐水供应到脱盐工厂，淡水泵将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动启动泵以启动初级液体回路。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动循环泵以循环次级回路中的工作介质。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动卤水泵泵送来自脱盐工厂的卤水。

在一些实施例中，压缩空气供应可以驱动废水泵泵送来自电解槽的废水。

在一些实施例中，供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵中的任何一个或多个可以配置为由发电机产生的电力驱动。

在一些实施例中，供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵中的任何一个或多个可以配置为由外部电力供应驱动。外部电力供应可以来自电力网，或由可再生能源产生：例如风能、太阳能、波浪和潮汐能。供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵中的任何一个或多个可以配置为直接地由可再生能源或电力网供应的能源或由电池驱动。

在一些实施例中，提供了一种地热氨气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级液体回路通过脱盐工厂；第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机，由加热液体驱动，以产生第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出；其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向(i)通过淡水电解产生氢气的电解槽和(ii)氨气生产工厂供电，第二机械输出驱动空气压缩机，该空气压缩机抽吸环境空气穿过氮气工厂以将氮气从环境空气分离来供给到氨气生产工厂，第三机械输出配置为驱动压缩机以压缩由电解槽产生的氢气并将压缩氢气供给到氨气生产工厂；其中第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出中的任一个配置为驱动供应泵和淡水泵，供应泵将盐水供应到脱盐工厂，淡水泵将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。供应泵和淡水泵可以是由来自空气压缩机的压缩空气供应驱动的空气驱动泵。

在粮食生产中，氨气用于生产肥料。当前的氨气生产涉及使用化石燃料能源将氮气从空气中分离出来，并使用Haber-Bosch工艺(HBP)将氮气与氢气结合以形成氨气。通常，HBP是氨气的生产的主要工业步骤，主要用于生产肥料。HBP通过使用金属催化剂在高温(400℃-500℃)和高压(10MPa+)下与氢气(H₂)的反应将大气氮(N₂)转化为氨气(NH₃)：

N₂+3H₂→2NH₃

转化是在裂化炉内使用高温和高压水蒸汽进行的，该转化使用镍催化剂从而将碳原子和氢原子分开。需要催化剂，因为由于三重原子键，氮气(N₂)高度稳定。因此，HBP需要催化剂来加速原子键的破裂。通常，HBP使用异质的或固体的催化剂与气态试剂相互作用。典型的催化剂是基于氧化铁载体的铁素体。

除了其有名的施肥特性之外，氨气也是一种出色的能量载体，其能量密度大于氢气的能量密度。在液态形式时，在环境温度下，氨气具有约3kWh/升的能量密度，如果冷却至负35℃，则能量密度可以增加到接近4kWh/升。

除了其能量密度之外，氨气更容易且更便宜地储存和送输，并且可以利用已经存在的用于送输丙烷等产品的现有的全球基础设施。由于其高能量密度，氨气可用于储存能源，这为收集和储存从可再生能源获得的能量提供了巨大的机会。

虽然氨气带有一些风险，有毒，但是风险与其他气体没有什么不同，例如甲烷或甲醇。然而，与许多毒素不同，氨气在溢出时会迅速消散并开始自我中和。因此，氨气不会积聚在地面上，可以被植物和细菌吸收从而促进硝化作用。

此外，与丙烷和丁烷类似，在环境温度下，氨气可以在约7.5巴时液化，从而与已知产品(例如需要低温储存的液化天然气(LNG))相比提供了进一步的优势，为航运业提供了零排放替代品。

在一些实施例中，第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出中的任何一个还可以配置为驱动启动泵以启动初级液体回路。

由第二机械输出驱动的空气压缩机可以配置为提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，来自发电机的电力输出配置为驱动：供应泵，其将盐水供应到脱盐工厂；启动泵，其启动初级液体回路；以及淡水泵，其将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

由第二机械输出驱动的空气压缩机可以配置为提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

来自发电机的电力输出配置为驱动以下至少之一：供应泵，其将盐水供应到脱盐工厂；启动泵，其启动初级液体回路；淡水泵，其将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出中的任何一个还可以配置为驱动氧气压缩机以压缩由电解槽产生的氧气。氧气压缩机可以由与空气压缩机处于双涡轮机布置的第二机械输出驱动。压缩氢气可以以300℃及以上的温度输送到氨气生产工厂。压缩氢气可以在20巴及以上的压力下输送到氨气生产工厂。

在一些实施例中，将盐水供应到脱盐工厂可以被抽吸穿过冷却器以在压缩后冷却压缩氢气。来自初级液体回路的加热液体可以传送到氨气生产工厂，以向其供应热能。在加热液体进入第一闪蒸分离器之前，加热液体可以从初级液体回路中抽出。在第一闪蒸分离器之后，从氨气生产工厂排出的加热液体可以重新引入初级液体回路。在第二闪蒸分离器或第三闪蒸分离器后，从氨气生产工厂的排出的加热液体可以重新引入初级液体回路。

在一些实施例中，提供了一种地热氨气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体通过初级液体回路中的脱盐工厂，初级回路的加热液体通过热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向(i)通过淡水电解产生氢气的电解槽和(ii)氨气生产工厂供电，第二机械输出驱动第一空气压缩机和第二氢气压缩机，第一压缩机配置为抽吸环境空气穿过氮气工厂以将氮气从环境空气中分离以供给到氨气生产工厂，第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气并将压缩氢气供给到氨气生产工厂，其中第一机械输出和第二机械输出中的任何一个配置为驱动供应泵和淡水泵，供应泵将盐水供应到脱盐工厂，淡水泵将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，提供了一种地热氨气生产系统，包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级回路的加热液体供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出，第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向(i)通过淡水电解产生氢气的电解槽和(ii)氨气生产工厂供电，第二机械输出驱动空气压缩机，该空气压缩机抽吸环境空气穿过氮气工厂以将氮气从环境空气中分离以供给到氨气生产工厂，其中第一机械输出和第二机械输出中的任何一个配置为驱动供应泵和淡水泵，供应泵将盐水供应到脱盐工厂，淡水泵将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，第一机械输出和第二机械输出中的任何一个还可以配置为驱动启动泵以启动初级液体回路。由第二机械输出驱动的空气压缩机可以配置为提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应、第三压缩空气供应、第四压缩空气供应、第五压缩空气供应和第六压缩空气供应的任何一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽，第四压缩空气供应驱动循环泵以循环次级回路中的工作介质，第五压缩空气供应驱动卤水泵以泵送来自脱盐工厂的卤水，第六压缩空气供应驱动废水泵以泵送来自电解槽的废水。

来自发电机的电力输出配置为驱动以下至少之一：供应泵，其将盐水供应到脱盐工厂；启动泵，其启动初级液体回路；淡水泵，其将淡水从脱盐工厂输送到电解槽；循环泵，其循环次级回路中的工作介质；卤水泵，其泵送来自脱盐工厂的卤水；以及废水泵，其泵送来自电解槽的废水。在一些实施例中，供应泵、启动泵、淡水泵、循环泵、卤水泵和废水泵可以由外部电源、替代能源或电池驱动。

由第二机械输出驱动的空气压缩机可以配置为提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应、第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，第一机械输出和第二机械输出中的任何一个还可以配置为驱动氧气压缩机以压缩由电解槽产生的氧气。氧气压缩机可以由与空气压缩机处于双涡轮机布置的第二机械输出驱动。在一些实施例中，第二机械输出或第三机械输出可以配置为驱动另一压缩机以在氢气供给到氨气生产工厂之前压缩从电解槽中抽出的氢气。压缩氢气可以以300℃及以上的温度输送到氨气生产工厂。压缩氢气可以在20巴及以上的压力下输送到氨气生产工厂。

在一些实施例中，将盐水供应到脱盐工厂可以抽吸穿过冷却器以在压缩后冷却压缩氢气。来自初级液体回路的加热液体可以传送到氨气生产工厂，以向其供应热能。

在一些实施例中，加热液体在进入热交换器之前可以从初级液体回路抽出。从氨气生产工厂排出的加热液体在进入热交换器之前可以重新引入初级液体回路。从氨气生产工厂排出的加热液体紧接在进入热交换器之前可以重新引入初级液体回路。

在一些实施例中，次级回路可以包括以下中的至少一个：淡水冷凝器，其配置为从次级回路吸取热量以在来自脱盐工厂的淡水输送到电解槽之前加热来自脱盐工厂的淡水；盐水冷凝器，其配置为从次级回路吸取热量以在将盐水供应到脱盐工厂之前加热盐水。

在一些实施例中，提供了一种产生和供给淡水到电解槽以生产氨气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：将液体供给到地热井中并从地热井的井口抽出加热液体以形成初级液体回路，初级液体将热能输送到脱盐工厂；将来自初级液体回路的加热液体传送到第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机，以分别产生第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出；将第一机械输出引导到发电机以向(i)通过淡水电解产生氢气的电解槽和(ii)氨气生产工厂供电；将第二机械输出引导到空气压缩机，以抽吸环境空气穿过氮气工厂来将氮气从环境空气分离而供给到氨气生产工厂；将第三机械输出引导到第二压缩机，该第二压缩机配置为压缩由电解槽产生的氢气并将压缩氢气供给到氨气生产工厂；驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂并且驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤：由第一机械输出、第二机械输出和第三机械输出中的任何一个驱动启动泵以启动初级液体回路。该方法还可以包括以下步骤：提供来自空气压缩机的第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，该方法还可以包括向以下之一供电的步骤：供应泵，其将盐水供应到脱盐工厂；启动泵，其启动初级液体回路；以及淡水泵，其将淡水从脱盐工厂输送到发电机向其提供电力输出的电解槽。该方法还可以包括以下步骤：提供来自空气压缩机的第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应，其中第一压缩空气供应驱动供应泵以将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在一些实施例中，该方法还可以包括为以下至少一个供电的步骤：供应泵，其将盐水供应到脱盐工厂；启动泵，其启动初级液体回路；以及淡水泵，其将淡水从脱盐工厂输送到发电机向其提供电力输出的电解槽。

在一些实施例中，提供了一种地热氨气生产系统，包括：初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，初级液体回路将热量输送到脱盐工厂；以及第一涡轮机和第二涡轮机，由加热液体驱动，以产生第一机械输出和第二机械输出；其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动第二发电机，该第二发电机配置为向电力网以及与区域冷却网络相连的冷却回路提供电力，该冷却回路包括由初级液体回路的残留热能驱动的冷却器。在一些实施例中，冷却回路的传热介质可以是水或蒸馏水。

第一发电机可以是直流发电机。在系统的一些实施例中，来自直流发电机的系统电力也可以用于向系统内的泵和压缩机供电。第二发电机可以是交流发电机，该交流发电机配置为将额外的电能直接供给回当地的能源网，从而向系统提供了额外的商业收入流。

该系统还可以包括一系列冷却池，例如海水冷却池和淡水冷却池。

冷却器可以是吸收冷却器、离心冷却器、或螺旋旋转冷却器。冷却器可以是氨气吸收冷却器。

本发明的各种特征、方面和优势将从以下对本发明实施例的描述以及附图中变得更加明显，在附图中相同的附图标记表示相同的组件。

附图说明

本发明的实施例参考附图通过示例而不是通过限制来说明，在附图中：

图1是地热氢气生产系统的示意图，其中第一涡轮机和第二涡轮机直接地由来自地热井的加热液体驱动；

图2是图1的地热氢气生产系统的示意图，示出了由来自井的地热能驱动的压缩空气回路；

图3a是地热井的横截面视图，示出了随着井延伸进入基底井孔的直径稳定地降低；

图3b是地热井的井口的横截面视图，示出了一系列阀门和密封件，用于控制液体流入和流出初级液体回路内的地热井；

图4是使用次级(或有机朗肯循环“ORC”)回路的地热氢气生产系统的示意图；

图5是图4的地热氢气生产系统的示意图，示出了由来自地热井的热能驱动的压缩空气回路；

图6是地热氢气生产系统的示意图，示出了多个涡轮机，用于提供离散的机械输出以同时驱动脱盐过程和发电；

图7是多效蒸馏(MED)脱盐工厂的示意图，示出了一系列三个腔室，每个腔室在温度和压力上循序地降低，以提供第一淡水输出，以及第二卤水输出；

图8是根据本发明的实施例的单回路地热氢气生产工厂的示意图，其中一对涡轮机由初级回路驱动；

图9是根据本发明的实施例的具有次级回路或二元回路的地热氢气生产工厂的示意图，其中第一涡轮机由次级回路驱动，第二涡轮机由初级回路驱动；

图10是根据本发明的实施例的地热氢气生产和压缩系统的示意图，其中三个涡轮机由初级回路驱动以产生电力、驱动空气压缩机、以及驱动氢气压缩机，足够的废热也供应MED脱盐工厂；

图11是根据本发明的一个实施例的地热氢气生产和压缩工厂的示意图，其中第一涡轮机由次级回路驱动，空气压缩机和氢气压缩机由初级回路驱动；

图12是流程图，示出了一种产生和供给淡水到电解槽以生产绿色氢气的方法中的步骤，由地热能供电并由压缩空气驱动；

图13是根据本发明的实施例的具有次级回路或二元回路的地热氢气和氨气生产工厂的示意图，其中第一涡轮机由次级回路驱动，第二涡轮机由初级回路驱动；

图14是根据本发明的实施例的地热氢气和氨气生产和压缩系统的示意图，其中三个涡轮机由初级回路驱动以产生电力、驱动空气压缩机、氢气压缩机和氧气压缩机，足够的废热也供应MED脱盐工厂；

图15是根据本发明的一个实施例的地热氢气和氨气生产和压缩工厂的示意图，其中第一涡轮机驱动由次级回路驱动以向发电机提供动力，初级回路配置为驱动空气压缩机、氢气压缩机和氧气压缩机；以及

图16是根据本发明的一个实施例的地热氢气生产系统的示意图，使用区域冷却系统来冷却初级液体回路。

下面将参考附图更充分地描述实施例，在附图中示出了本发明的各种实施例，尽管不仅是可能的实施例。本发明可以以许多不同的形式体现并且不应被解释为仅限于下文所述的实施例。

具体实施方式

地热氢气生产系统、具有次级回路的地热氢气生产系统以及地热氢气生产和压缩系统的脱盐工厂在本文中与MED脱盐工厂有关来描述，因此设想的是本发明的各个方面也可以应用于反渗透(RO)脱盐工厂。

尽管在本文中使用“涡轮机”一词来描述一种机器，该机器通过使流体流经过转子或叶轮以使转子或叶轮进行旋转运动来产生机械工作，但是可以理解“涡轮机”可以被替换为其他机械设备，例如蒸汽机、有机朗肯循环(ORC)涡轮机或螺杆膨胀机。本领域技术人员将理解不同的膨胀机适合不同的动力范围和应用。

在本文中已经使用“液体”一词来指代初级液体回路的液体。描述次级回路具有“工作介质”，其中该介质是一种在封闭环中循环的流体，并且仅仅用作传递热能的工作介质。可以理解，在一些实施例中，液体和工作介质都可以是水。工作介质可以是具有较高或较低沸点且具有不同的传热特性的液体或气体，例如正戊烷。

在本文已经使用“井”一词来指代深地热井孔，该井孔提供来自热地质的热能来向系统提供动力。为了清楚起见，在本文已经使用“孔”一词来指代盐水井孔，其向脱盐工厂提供盐水。技术术语孔和井可以互换使用，并且在本文中选择性地与地热井和盐水孔有关来使用，仅仅为了清楚起见。

在本文中已经使用“绿色氢气”一词来定义由可再生电力生产的氢气产物。这与棕色氢气和灰色氢气以及最后蓝色氢气相对比，棕色氢气由煤或褐煤生产，灰色氢气由天然气(例如甲烷)生产(这两种都将排放物释放到大气中)，蓝色氢气也是由天然气产生的(还捕获或有时储存释放的碳)。通过使用传统的生产手段，绿色氢气的成本通常是蓝色氢气的成本的两倍。

参考图1和图2，示出了根据本发明的实施例的一种地热氢气生产系统(100)；包括：初级液体回路(1)，其将液体(3)循环到地热井(5)中并从地热井(5)的井口(7)返回加热液体(4)，该初级液体回路(1)通过脱盐工厂(40)；第一涡轮机(10)，其由加热液体驱动以产生第一机械输出(12)；次级涡轮机(10a)，其由加热液体驱动以产生第二机械输出(12a)；其中第一机械输出(12)驱动发电机(47)，该发电机(47)配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽(49)供电，第二机械输出(12a)驱动空气压缩机(14)以提供第一压缩空气供应(13)、第二压缩空气供应(15)和第三压缩空气供应(31)，其中第一压缩空气供应(13)驱动供应泵(29)将盐水(16)供应到脱盐工厂(40)，第二压缩空气供应(15)驱动启动泵(36a)以启动初级液体回路(1)，第三压缩空气供应(31)驱动淡水泵(38)以将淡水(19)从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。

地热井(5)需要大约270℃-300℃的底孔地质温度来加热液体(3)。在此描述中，初级液体是水；然而，设想的是，其他液体可以在初级回路中使用。水是一种低风险液体，因为任何泄漏或对系统(100)的损坏只会将水释放到周围环境中。

当将较冷液体(3)抽吸进入井(5)中以进行加热时，热虹吸效应迫使加热液体(4)到达表面。液体(3)可以是水，其中来自井(5)的加热水(4)用于驱动第一涡轮机(10)，第一涡轮机(10)又驱动发电机(47)。由发电机(47)产生的电能通过电缆或管道(56)传送，以向电解槽(49)供电。系统的这一部分与图8-图10有关更详细地进行描述。

加热液体(4)在从第一涡轮机(10)排出后再充注，随后供给到次级涡轮机(10a)以产生第二机械输出(12a)来为压缩机(14)提供动力，其中压缩机(14)是空气压缩机。

在离开次级涡轮机(10a)(从其中排出)之后，以蒸气(6)和/或加热液体(4)形式的静止热排放物(9a)在被引导到脱盐工厂(40)之前重新引入并混合回到初级回路(1)。

空气压缩机(14)一旦激活，就在第一侧吸入环境空气(28)，以为在图2中更详细示出的脱盐工厂(40)的腔室创建真空。

空气压缩机(14)的第二侧直接地(或通过储存罐(37))将压缩空气输出到至少第一压缩空气供应(13)、第二压缩空气供应(15)和第三压缩空气供应(31)。在一些实施例中，可以由空气压缩机(14)供应第四压缩空气供应(32)和第五压缩空气供应(46)以驱动辅助泵(参考图4和图5更详细地进行了描述)。

第一压缩空气供应(13)的压缩空气驱动供应泵(29)(在图2中示出为空气井泵)，供应泵(29)将空气泵入海洋或盐水孔(18)以驱动来自盐水孔(在大约20m至50m的深度)的盐水，然后将盐水供给到脱盐工厂(40)，脱盐工厂(40)提供了淡水出口(20)和卤水出口(21)作为两个独立的出口。初级回路还可以包括启动泵(36a)或类似的启动系统，以启动系统(100)的初级回路(1)。启动泵(36a)由来自第二压缩空气供应(15)的空气驱动，直到热虹吸过程开始的时间为止，此后几乎没有泵送的需求(例如，零至可忽略的能量输入以保持系统运行)。

在图1中，初级液体回路(1)示出为短划线，当液体(3)被吸入地热井(5)以被井(5)中深处的热地质加热时，初级液体回路(1)循环液体(3)，例如水。井(5)的深度可以在3,000m至10,000m之间，取决于地质和所需的热能。在地热井(5)配置为封闭环的情况下，替代液体可以选择为初级回路(1)中的加热介质。在井打开的情况下，水是优选的加热介质，以最小化系统对周围环境的影响。

在图1和2中，初级回路(1)以短划线示出，压缩空气管线(13、15、31)示出为点线。在涡轮机(10)和发电机(47)之间以及在次级涡轮机(10a)和空气压缩机(14)之间示出黑色实线，该黑色实线代表传输它们之间相应的第一机械输出和第二机械输出(12、12a)(例如旋转运动)的轴或轮轴。

图1中所示的储存罐(37)可以包括在压缩空气供应管线(13、15、31、32、46)中的至少一个中以储存压缩空气用于启动系统(100)或在激活空气压缩机(14)之前在系统中使用。

当液体(3)被吸入到地热井(5)的外环(5a)中时，液体(3)被加热(图1中热量示出为引导朝着井(5)的箭头)，加热液体(4)通过中央绝缘套管(5b)上升，从而将加热液体(4)带到在井口(7)处的地平面。

加热液体(4)在270℃和300℃之间，取决于井(5)的位置、井(5)的深度和该地区的地质。

一旦启动初级液体回路(1)，加热液体(4)上升的作用继续将在约50℃-60℃的较冷液体(3)抽吸到井(5)中，从而传播热虹吸效应。

地热井(5)的其他详细信息在本文中与图3A和图3B有关进行了描述。

当初级回路(1)中的液体以270℃-300℃之间从井口(7)出现时，使用闪蒸分离器(25)提供蒸气(例如水蒸汽)以驱动涡轮机(10)。在一些情况下，加热液体(4)可以保持加压(不沸腾)，并可以驱动设备将热能转化为运动。

闪蒸分离器(25)(也称为闪蒸罐)的几个阶段可以配置为提供要收获的额外的能量。在一些布置中，一系列的闪蒸分离器互相连接，各分离器的产物驱动单个涡轮机(10)，或者每个分离器的产物可以单独输送以驱动一系列的涡轮机/膨胀机。

当加热液体(4)吸入闪蒸分离器或分离器(25)时，分离器内的压力降低。压力下降迫使加热液体(4)的一部分蒸发，其中加热液体(4)是水，以产生水蒸汽(6)。水蒸汽(6)传送给涡轮机(10)，其中水蒸汽(6)的流动驱动涡轮机(10)或发动机以产生在图1中示意性地示出为旋转的轴的机械输出(12)。然后将作为轴的运动的机械输出(12)传输到发电机(47)。以这种方式，从井(5)的地质抽取的热能的至少一部分用于驱动连接到涡轮机(10)的电压缩机(47)。

当将加热液体(4)引入分离器(25)时，加热液体(4)通常通过节流阀进入分离器(25)，从而降低加热液体(4)的压力以启动闪蒸。液体(4)的一部分立即“闪蒸”成蒸气，或者在水是所选液体的情况下成为水蒸汽。然后将蒸气从分离器(25)的顶部抽离以驱动涡轮机(10)。

在闪蒸之后，初级回路(1)的未闪蒸的液体或残余加热液体(8)通过出口或排出口(26)离开分离器(25)。同时，蒸气和/或水蒸汽(6)作为温度已经下降的排放物(9)离开涡轮机(10)。残余加热液体(8)与涡轮机(10)的排放物(9)混合，以在将残余加热液体(8)引导到第二闪蒸分离器(25a)之前将温度回升。

由残余加热液体(8)和排放物(9)组成的初级回路(1)的液体供给到次级分离器(25a)，并在进入次级分离器(25a)时再次降低压力，使大约10％的液体立即蒸发成蒸气或水蒸汽(6a)。然后将蒸气(6a)输送到次级涡轮机(10a)，该次级涡轮机(10a)产生第二机械输出(12a)以驱动空气压缩机(14)。

次级分离器(25a)的未闪蒸的残余加热液体(8a)通过排出口(26a)排出，并与次级涡轮机(10a)的排放物(9a)组合回到初级液体回路(1)，一旦组合就传送到脱盐工厂(40)的第一腔室(42)以蒸发引入其中的盐水(16)。

最后，在通过每个分离器(25、25a)、每个涡轮机(10、10a)并流出脱盐工厂(40)之后，初级液体回路(1)被引导回地热井(5)以进行重新加热。

在离开工厂(40)时，在被引导回井(5)以继续热虹吸效应之前，初级回路(1)的液体可以以在50℃-60℃之间的降低的温度通过启动泵(36a)。

初级液体回路(1)是一个闭环(至少在井(5)之外)。然而，补充水供应(43)可以包括到该闭环中，如图6所示，其中将在MED工厂(40)中脱盐的淡水(19)从淡水出口(20)转移并进入初级液体回路(1)中。

启动泵(36a)仅用于启动回路(1)，并且在启动后就不需要了。启动泵(36a)是流体空气泵并由来自压缩机(14)的第二压缩空气供应(15)驱动。启动泵(36a)由第二压缩空气供应(15)驱动避免了需要额外电力来运行系统(100)。系统的这部分将参考图2进一步描述。

当井(5)已经布置，没有流动或热能生产，并且绝缘套管(5b)内部的液体的温度与绝缘套管(5b)外部井(5)的环(5a)内的液体的温度相同(出口和入口封闭)时，井(5)中的液体(水)的总量根据地质的热梯度加热。这意味着总的井内液体温度将为在3000m处130℃，在4000m处190℃，在6000m处300℃，在8000m处410℃，在10000m处550℃。

要启动井(5)中的热虹吸效应，需要少量的水运动，这将需要小的10KW启动泵(36)来启动该流动或者保持在升高的储存罐中可以通过重力和水头压力输送到井口(7)的环中的环境温度水的储存，这将避免需要额外的能量。一旦将一定量的较冷的液体(3)添加到井口(7)中，新添加的液体的重量将比井(5)内部的加热液体(4)的重量更重，随着较冷的液体(3)持续添加并抽吸到井(5)的环中，来自井口(7)的流动将增加。在几分钟之内，启动泵(36a)可以关闭，因为热虹吸效应将产生流动和热能生产。

取决于所需的机械输出，技术人员可以选择性地将上述涡轮机(10、10a)被替换为可替代的机器，例如：直接蒸汽涡轮机、ORC涡轮机、螺杆膨胀机、蒸汽机等。

此外，可以从螺杆压缩机或活塞压缩机中选择压缩机(14)，其中螺杆压缩机将更适合处于较低压力的大体积的液体，活塞压缩机将更适合较大压力较小体积。

在移至图2之前，提供了典型脱盐工厂的内部工作的简要概述。

多效蒸馏(MED)工厂

MED工厂使用蒸馏来对海水或盐水进行脱盐。在多效应蒸馏(MED)工厂的每个“效应”或“阶段”中，盐水喷到管道或工厂上，由设置在MED腔室内的管道或板状换热器内部的热能加热。一些盐水蒸发，该淡的蒸气被引导到MED工厂的下一个腔室中，以喷到下一个腔室中的管道或板上，依此类推，直到在MED工厂的三至七个MED腔室中重复三至七次之间，在每个腔室中真空增加或大气压降低，从而加热和从盐水蒸发更多的淡水。因此，每个阶段重复使用来自上一个阶段的能量，具有依次降低的温度和压力。图7中示出了MED脱盐工厂(40)的示意图。

MED工厂(40)包括一系列由墙壁隔开的封闭腔室，在第一腔室处具有热的流体或水蒸汽热源，具有降低的热量的同一流体(浓缩的)从第一腔室离开。每个接续的腔室的温度和压力低于先前的腔室。这意味着每个腔室内的墙壁均保持在其两侧的流体的温度中间的温度。这种温度差，与腔室中的压降接合，将蒸发能量从腔室的较暖第一区域传递到腔室的较冷第二区域。然后热能从第二个区域经由传导(和/或管道)穿过墙壁行进到较冷的随后的腔室。还可以将额外的盐水喷入随后的腔室中，以继续通过工厂(40)的每个腔室的作用。

在从次级涡轮机(10a)排出后，系统(100)的初级液体回路(1)被引导穿过MED工厂(40)的第一腔室(42)。以这种方式，在初级液体回路(1)返回地热孔以进行重新加热之前，初级液体回路(1)中的热能用于供应MED工厂(40)。初级回路液体以大约80℃至95℃进入MED工厂(40)的第一腔室。在离开第一腔室(42)时具有60℃至70℃的环境温度，冷的盐水或海水喷到内部管道上，内部管道传送初级液体回路(1)通过MED工厂(40)，以将初级液体回路中的温度降低至60℃至50℃。

工厂(40)的第一腔室(42)中的温度约为70℃，在每个随后的腔室中温度下降大约5℃。最后的腔室(44)中的温度在图7所述的三腔室MED系统中是大约60℃或在六腔室MED系统中是大约45℃。MED工厂(40)可以包括额外的腔室，取决于输送到MED工厂的盐水的质量以及从MED工厂(40)中输送的淡水(19)的所需质量。

初级回路(1)中的液体可以由在图1中示出为空气泵的启动泵(36a)泵送到地热井口(7)入口，直到热虹吸效应起作用并自然地循环初级流体回路(1)的液体的时间为止。因此，仅需要启动泵(36a)启动初级流体回路(1)。

如图6和图7中所示，脱盐工厂(40)具有两个主要出口：(i)淡水出口(20)；以及(ii)卤水出口(21)。随着脱盐工厂(40)继续处理海水或盐水(16)，卤水出口(21)将卤水(39)引导离开工厂(40)。淡水出口(20)将淡水(19)引导至电解槽(49)，以维持电解槽中的反应来在其中持续地产生氢气。

淡水出口(20)还可以提供补充水供应(43)，可以将补充水供应(43)引导回初级液体回路(1)中，以补偿初级液体回路(1)的水损失。该补充蒸馏水供应(43)也用作井循环液体的清洁系统。

为了运行脱盐工厂(40)，每个随后的工厂(40)的腔室需要压力下降，以继续工厂(40)的蒸发周期。如图2中所示，空气压缩机(14)向第一空气供应管线、第二空气供应管线和第三空气供应管线(13、15、31)提供压缩空气，并同时为工厂(40)的腔室创建所需的真空。

现在转到图2，更详细地描述了系统(100)的压缩空气回路。

环境空气(28)通过空气真空泵(22)抽吸到系统(100)中。该空气真空泵(22)是由流体流动或文丘里系统驱动从而在真空管线(24)中产生吸力的叶轮。由次级涡轮机(10a)驱动的压缩机(14)将环境空气(28)吸入系统中，并将空气压缩到供应管线(13、15、31)中。来自压缩机(14)的吸力抽吸环境空气(28)，随着其这样做而驱动空气真空泵(22)。压缩机提供至少三个供应管线(13、15、31)，但是参考图4和图5，如本文中所述可以提供更多的供应管线。

第一压缩空气供应(13)引导到空气井泵形式的供应泵(29)，空气井泵位于盐水孔(18)内部深处或海洋中或盐水或海水储存罐中或大坝中。当空气被泵送到盐水孔(18)的底部或海洋中或储存罐中或大坝中时，海盐水被泵送到表面并泵向MED工厂(40)。供应泵或多个供应泵(29)能够从海洋、储存库或孔(18)沿着盐水输送管线(27)泵送该海水或盐水(16)到MED工厂(40)。在输送管线(27)终止时，海水或盐水(16)以海水或盐水温度与环境温度之间的温度喷到工厂(40)的腔室中。

据计算，对于输送到MED工厂(40)的每百万升盐水来说，可以从淡水出口(20)抽取大约400,000升的蒸馏水(19)，没有任何CO₂排放物、有毒废物或额外的电力负荷输入，每KL的运行成本比每KL的典型的RO脱盐成本低大约8倍。

尽管附图中没有示出，但是盐水孔(18)和供应泵(29)可以包括多个盐水孔(18)和空气泵，所有这些都供给到单个输送管线(27)，以供给到一个或多个脱盐工厂(40)。

卤水出口(21)将累积的卤水作为脱盐系统(100)的残余产物或废物产物排放。然而，该废卤水可用于下游过程，或用于理想的商业特性。在一些实施例中，第五压缩空气供应(46)可以配置为驱动图6中示出的卤水排放泵(48)，以在运行过程中泵送来自MED工厂(40)的卤水。

可以将废卤水蒸发以产生盐、钾碱、镁、锂和其他矿物质，与当前的针对这些材料的采矿工艺相比成本非常低。这些产物可以出售给农民用于施肥需求并向公众出售用于消费以及广泛的其他需求。在一些地方，当地农作物(例如小麦和大麦)可用于以低成本生产PLA。通过使用来自该地热MED系统的一些废热，可以以非常低的成本用当地种植的农作物生产PLA。该产物可以出口，并且可以产生环保的、基于工厂的塑料生产商机。

同时，空气压缩机(14)的吸力从MED工厂(40)的腔室吸收空气以创建真空，使得压缩机(14)的压力侧上的压缩空气通过第一空气供应(13)将压缩空气输送到盐水孔(18)或海洋中，以将盐水推到孔口(17)或表面并进入MED工厂(40)中。

随着环境空气(28)由压缩机(14)不断地抽吸通过空气真空泵(22)，在真空空气泵(22)的另一侧不断地创建真空。该真空通过真空管线(24)传送到工厂(40)的腔室，真空管线(24)从MED工厂(40)的每个腔室抽出空气以根据需要降低其中的压力，从而在工厂(40)的每个随后的腔室中传播持续的蒸馏。

如上所述，第二压缩空气供应(15)被引导到启动泵(36a)，第一压缩空气供应(13)被引导到供应泵(29)。第三压缩空气供应(31)被引导以驱动淡水泵(38)将淡水(19)从MED工厂(40)泵送至电解槽(49)。

空气井泵

供应泵(29)可以是空气井泵，完全由来自压缩机(14)的第一压缩空气供应(13)驱动，压缩机(14)由井(5)的地热能提供动力。供应泵(29)不需要额外的能量或电力输入。

将供应泵(29)配置为空气井泵非常高效并且由于没有移动部件而具有低维护需求。第一压缩空气供应(13)仅仅将盐水(18)从孔(18)(其可以是海洋孔或内陆孔)的底部推动，并将盐水推到所需的位置，例如罐、蓄水池或脱盐工厂(40)。

在这种设计中，第一压缩空气供应(13)输送来自较大的盐地下水系统的盐地下水，该盐地下水系统通常在澳大利亚内陆发现，尤其是小麦带和干旱地区。

来自涡轮机(10、10a)的机械输出(12、12a)可以用来驱动许多机械设备，例如泵、压缩机、另一涡轮机、或发电机。在第二输出(12a)的情况下，驱动压缩机(14)更有效，压缩机(14)驱动可以用于为压缩机提供动力的发电机，因为压缩机(14)的吸力侧和压力侧都可以用于提供脱盐工厂(40)的真空需要和盐水(16)输送。如果机械输出(12)用于驱动发电机以运行真空泵和运行电动潜水泵来进行盐水输送，那么在转换为电力中会有能量损失，然后在转换回到机械电动机以产生真空和移动盐水中又有进一步的损失。这又将引起电气组件维护和更换的更高的成本。

因此，使用供应泵(29)提供了理想的配对，因为MED工厂(40)需要真空用于盐水(18)在其腔室中在小于100℃时沸腾。

当盐水(18)在MED工厂(40)的每个阶段中冷却时，MED工厂(40)的每个部分都具有较高的真空(较低压力)。六腔室MED工厂(40)的最后的腔室(44)将具有大约45℃-40℃的温度，这需要最大真空用于盐水蒸发，该最大真空大于第一腔室(42)，其中腔室温度理想地为70℃。

包括空气储存罐(37)还促进了几个下向孔空气泵和几个真空泵的使用。此外，空气储存罐(37)提供了能量储存，使得当地热井(5)短时间关小或关闭时，可以激活第二压缩空气供应(15)以驱动空气真空泵(22)、启动泵(36a)和位于盐水孔(18)中的供应泵(29)。

当从地热井(5)输送液体时，系统(100)将需要初级液体回路(1)中的液体达到大约270℃-300℃，以运行两个涡轮机(10、10a)和MED工厂(40)。

系统(100)可以安装在内陆以利用大量的盐水供应或安装在海岸上以使用海水作为脱盐的来源。在所有这些地点生产淡水的成本，包括维护、设备折旧、工资和管理成本，计算为大约为每KL0.30c澳元。与RO脱盐相比，其花费大约每KL2.20澳元得到较低质量水产物并且产生大量的CO₂和塑料废物，MED的地热脱盐更便宜并且不会产生废物塑料或CO₂排放物。井或多个井(5)将产生热能数百年，并且低成本表面设备将需要最小的维护以及大约每30年的例行更换。

地热井

与图3A和图3B有关进一步描述了地热井(5)和井口(7)，这是从澳大利亚专利No.AU 2020101487中的节选。尽管图3A和图3B仅示出了一个井(5)，但是可以理解，可以串联地或并行地使用多个井，以增加泵送站(100)的潜在的机械输出(12)。

在图3A中示出了单个井(5)，以提供循环液体通过蓄水池的一种手段，还提供了入口通道(环)(5a)和绝缘返回通道(5b)用于将初级液体供应到井口(7)。通道(5a、5b)在井(5)内的管柱中同轴地布置，并被绝缘套管(122)分开。尽管示出入口通道(5a)围绕绝缘返回通道(5b)，但设想的是通道(5a、5b)可以互换，使得入口通道(5a)在中心延伸通过绝缘返回通道(5b)。

如图3A所示，井(5)包括管道入口(112)、管道出口(114)、以及在其中同心地设置的入口通道(5a)(入口通道)和绝缘返回通道(5b)(出口通道)。

沿井(5)的环向下的入口通道(5a)接收来自管道入口(112)的液体，并限定在外套管(120)和绝缘内套管(122)之间。绝缘返回通道(5b)由定位在外套管(120)内的绝缘内套管(122)限定。绝缘返回通道(5b)向管道出口(114)提供加热液体(4)，以通过热虹吸效应将加热液体(4)推向井口(7)的管道出口(114)。

可以嵌套额外的套管来以减小的直径将井向下延伸。例如，第一支撑套管(170)从井口(7)和地质表面向内朝井端部延伸(例如，进入地面)。在一些实施例中，第一支撑套管(170)轴向地延伸进入地面至大约100米的深度。第一支撑套管(170)可以具有30英寸的直径。

第二支撑套管(172)定位在第一支撑套管(170)内并且可以邻接第一支撑套管(170)，以大于第一支撑套管(170)的深度从井口和地质表面向内朝井端部延伸(例如，进入地面)。在一些实施例中，第二支撑套管(172)轴向地延伸进入地面至大约1500米的深度。第二支撑套管(172)可以具有18 5/8至20英寸的直径。第三支撑套管(174)可以定位在第二支撑套管(172)内并且可以邻接第二支撑套管(172)，以大于第二支撑套管(172)的深度从井口和地质表面向内朝井端部延伸(例如，进入地面)。在一些实施例中，第三支撑套管(174)轴向地延伸进入地面至大约3000米的深度。第三支撑套管(174)可以具有13 3/8至16英寸的直径。

外套管(120)用第三支撑套管(174)定位，延伸超过第三支撑套管(174)并限定井(5)的底部。外套管(120)可以部分地由地质层限定，使得加热液体(4)可渗透通过可渗透地质层中的外套管(120)的一部分(124)。在一些实施例中，外套管(120)的可渗透部分(124)处于7,500米至12,000米之间的深度。外套管(120)的可渗透部分(124)可以配置为允许穿过可渗透的岩石朝着第二井(未示出)的液态流路径(104)。外套管(120)可以是加固的岩石，例如不含地下水的花岗岩，但是具有高水平的热量，随着液体被沿着入口通道(5a)向下抽吸并与井(5)的外套管(120)接触，该热量会转移到较冷液体(3)中。

在一些实施例中，外套管(120)轴向地延伸进入地面至大约7,500m-12,000m的深度，并且不是由地质层限定，即外套管(120)延伸到井(5)的底部。在外套管(120)延伸到并限定井(5)的底部的情况下，井对周围的地质封闭。这种“封闭井”或密封井布置防止初级液体回路(1)的液体与井(5)周围的地质之间的接触。这种“封闭井”布置防止沉积物和其他地质杂质进入初级液体回路(1)的液体(3)。

绝缘内套管(122)定位在外套管(120)内，并配置为在绝缘内套管(122)的端部接收通过入口通道(5a)的液体(3)的流。在一些实施例中，绝缘内套管的端部(128)包括进口滤网(128)，当来自入口通道(5a)的加热液体流进入绝缘返回通道(5b)时，该进口滤网(128)接收来自入口通道(5a)的加热流体流。热虹吸效应将加热液体(4)在绝缘内套管(122)的绝缘返回通道(5b)的内部向上推动。进口滤网(128)可以配置为当液体(3)进入绝缘内套管(122)时向液体(3)提供过滤器。

在一个实施例中，第一井(5)的管道入口(112)接收处于50℃至70℃的温度在5至30kg/sec之间的流，该流通过入口通道(5a)朝着井(5)的底部流动。通过入口通道(5a)的注入速度可以为0.02至1m/sec。当液体(3)通过地质的下层时，液体(3)被加热。液体沿着入口通道(5a)向下流动得越慢，越多的热量将会被从地质转移到注入的液体(3)。

在一些实施例中，来自周围地质的液体穿过外套管(120)的可渗透部分(124)进入入口通道(5a)。当液体进入绝缘内套管(122)的进口滤网(128)并进入绝缘返回通道(5b)时，液体进入间隙(126)并可以在间隙(126)内膨胀。

当液体通过间隙(126)朝着绝缘返回通道(5b)行进时，加热液体(4)的温度可以在150℃至300℃之间。当加热液体(4)通过绝缘内套管(122)被推向表面时，加热液体(4)会失去其中包含的一些热量。

在澳大利亚的大部分地区，当液体(3)通过间隙(126)朝着第二通道(5b)行进时，在6,000米深的井中液体的温度可以为大约300℃。

在井(5)的底部(126)和管道出口(114)之间损失了大约10℃，但是该热量并没有完全损失，因为其转移到入口通道(5a)中并增加了入口通道(5a)的加热速率时。取决于地热井(5)的深度，从绝缘返回通道(5b)离开井口(7)的管道出口(114)的加热液体(4)将具有在50至200巴之间的压力、在1至30kg/sec之间的质量流速、在290℃和140℃之间的温度。

具有底部孔岩石或地质温度400℃的井(5)可以具有5MW-30MW之间的热能输出，例如19.78MWth(热兆瓦)，具有来自井口(7)的每秒20kg的流速和280℃的温度，井注入温度为50℃。

图3B中示出了井口(7)的扩展视图。井口(7)包括多个密封件(510)，外部支撑圈(512)和其他特征件，以为井(5)提供适当的支撑和出口。

一旦系统开始流动后，热虹吸移动井(5)中液体。在一些实施例中，将50℃液体(产生机械输出之后冷却的水)沿着井(5)向下抽吸，其中液体(3)在其到井(5)的底部的过程中被加热，然后被推到井口(7)处的表面。增加的温度和由热量产生的压力迫使加热液体沿着生产套管向上至表面。

在一些实施例中，开放的井配置可以包括井(5)，井(5)在井的底部具有与可渗透地质一致的开槽的部分，使得液体可以流入井(5)和/或从井(5)中流出、通过地质、并向下游流到串联的第二井。

在热虹吸系统的一个特定实施例中，该系统可以是六井系统，注入流率为：井1-50kg/s，井2-30kg/s，井3-30kg/s，井4-30kg/s，井5-30kg/s，井6-10kg/s，总注入率为180kg/秒。在该实施例中，生产流率可以是：井1-30kg/s，井2-30kg/s，井4-30kg/s，井5-30kg/s，井6-30kg/s。实施例的总生产流率可能导致大约180kg/秒的流速和116MW的热能。

在井(5)的一个布置中，使用热虹吸系统、300℃或更热的底部孔地质温度，从表面处的6.3"内径绝缘生产套管出来的自然流速(在井口出口处不受可调节阀的限制)可以是30kg/s或2m/s的速度。尽管加热液体(4)可能会在沿着井(5)向上的旅途中经历热量损失，但是出口温度通常将比井(5)的底部的液体温度小5％。

井(5)可以配置为进入包括花岗岩的几乎任何地质几千米直至大约12,000m。地热在一定深度处通过闭环系统进行交换，而不是将深层地热卤水带到表面。这种形式的井(5)具有100多年的生产寿命，维护成本相对较低。井(5)具有小物理占用空间，并且对表面地下水系统的影响很小，因为井(5)周围的套管的层提供了保护。

本发明的第二方面如图4和图5中所示，图4和图5示出了一种地热氢气生产系统(101)，具有二元回路或次级回路，包括：初级液体回路(1)，其将液体(3)循环到地热井(5)中并从地热井(5)的井口(7)返回加热液体(4)；加热液体(4)供给到热交换器(30)，以加热通过脱盐工厂(40)的次级回路(2)的工作介质(33)，其中次级回路(2)的加热工作介质(34)驱动第一涡轮机(10)和次级涡轮机(10a)以产生第一机械输出(12)和第二机械输出(12a)；其中第一机械输出(12)驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向通过水的电解产生氢气的电解槽(49)供电，第二机械输出(12a)驱动空气压缩机(14)以提供第一压缩空气供应(13)、第二压缩空气供应(15)和第三压缩空气供应(31)中的至少一个，其中第一压缩空气供应(13)驱动供应泵(29)向脱盐工厂(40)供应盐水(16)，第二压缩空气供应(15)驱动启动泵(36a)启动初级液体回路(1)，第三压缩空气供应(31)驱动淡水泵(38)以将淡水(19)从脱盐工厂(40)驱动到电解槽(49)。

具有二元回路(101)的地热氢气生产系统不需要电力供应，并且还使用热虹吸效应用于能量需求以维持初级液体回路(1)并将盐水(16)输送到脱盐工厂(40)。

利用该零电力氢气生产系统(101)，可以由第一机械输出(12)驱动电发电机(47)并由第二机械输出(12a)驱动压缩机(14)，两个机械输出由涡轮机(10、10a)产生，涡轮机(10、10a)由ORC或次级回路(2)的蒸发的或加热工作介质(34)驱动。次级回路(2)由初级液体回路(1)加热，初级液体回路(1)的热能来自地热加热的井(5)或井(5)。

带有二元回路(101)的地热氢气生产系统使用压缩机(14)在脱盐工厂(40)中产生真空并供应多个压缩空气管线(13、15、31、32、46)，其中第一压缩空气供应(13)向空气井泵的形式的供应泵(29)提供动力，以推动来自海洋或盐水孔(18)的海水或盐水来持续地供给脱盐工厂(40)。

供应泵(29)大体上是一种空气泵，其配置为将第一压缩空气供应(13)引导到盐水孔(18)中的管道。压缩空气在孔(18)的底部释放，然后该空气将孔(18)中的盐水推到表面处的孔口(17)。没有生锈或腐烂的移动部件，从而使供应泵(29)为一种非常有效且低维护的选择。供应泵(29)的动力足以将盐水(16)驱动到孔口(17)处的表面并沿着几千米的输送管道(27)驱动盐水(16)用于到脱盐工厂(40)的第一腔室(42)的环境温度输送。

在图4和5中，初级液体回路(1)用短划线示出，次级回路(2)用点点短划线示出，压缩空气管线(13、15、31、32、46)用点线示出。此外，每个压缩空气供应管线都在圆圈中编号。在涡轮机(10、10a)与相应的空气压缩机(14)和发电机(47)之间示出了黑色实线，该黑色实线代表在它们之间传输机械输出(12、12a)(例如旋转运动)的轴或轮轴。

当地质温度不足够热来用于如上述在系统(100)中描述的引导蒸汽或引导螺杆膨胀机系统时，有机朗肯循环(ORC)包括在本发明的第一方面(100)中，以提供机械输出(12、12a)。然后将机械输出(12、12a)供给到发电机(47)和压缩机(14)，如上与本发明的第一方面有关所述。取决于所需的空气压缩机容积，从旋转式或活塞式压缩机中选择压缩机(14)。

初级液体回路(1)以与本文中与本发明的第一方面相关描述的运行方式相同；然而，涡轮机(10、10a)并不是由初级液体回路(1)驱动。与地热氢气生产系统(100)相对比，具有二元回路的地热氢气生产系统(101)使用热交换器(30)将地热热量从初级液体回路(1)传递到次级回路(2)中的工作介质(33)，次级回路(2)与井(5)的初级液体回路(1)分开。次级回路(2)是封闭回路。

空气压缩机(14)的第二侧直接地(或通过储存罐(37))将压缩空气输出到至少第一压缩空气供应(13)、第二供应管线(15)和第三压缩空气供应(31)。如图4和图5中所示，进一步提供了由空气压缩机(14)供应的第四压缩空气供应(32)和第五压缩空气供应(46)，第四压缩空气供应(32)驱动次级回路(2)中的循环泵(36b)，第五压缩空气供应(46)驱动卤水泵(23)。卤水泵(23)配置为从MED工厂(40)抽出卤水(39)形式的脱盐的废物。

次级回路(2)包括循环泵(36b)，如图4所示。循环泵(36b)驱动工作介质(33)在次级回路(2)中的循环。次级回路(2)(ORC系统)使用具有低沸点的工作介质(如正戊烷)。与启动泵(36a)相似，循环泵(36b)是由压缩空气驱动的，该压缩空气通过第四压缩空气供应(32)从压缩机(14)输送到循环泵(36b)。

第一压缩空气供应(13)的压缩空气驱动供应泵(29)，供应泵(29)在图5中示出为空气井泵，其将空气泵送到海水或盐水孔(18)中，以驱动来自盐水孔(在大约20m至50m的深度)的盐水，然后该盐水被供给到脱盐工厂(40)中以提供淡水出口(20)和卤水出口(21)作为两个独立的出口。启动泵(36a)或类似的启动系统启动系统(101)的初级液体回路(1)，但是一旦热虹吸过程开始，就几乎没有泵送的需求了(例如，零至可忽略的能量输入以保持系统运行)。

循环泵(36b)保持工作介质(33)在第二回路(2)周围流动，以不断地通过热交换器(30)冷却工作流体(33)。在工作介质(33)围绕次级回路(2)继续之前，将来自初级液体回路(1)中的加热液体的热能转移到热交换器(30)中的工作介质(33)，从而将加热的/蒸发的工作介质(34)输送到涡轮机(10、10a)来创建机械输出(12、12a)。

当要初始化系统(101)时，可以将来自储存罐(37)的压缩空气输送到启动泵(36a)和循环泵(36b)。泵(36a、36b)启动初级回路和次级回路(1、2)的循环，从而用泵(36a)促使处于环境表面温度的液体(3)进入地热井环(5a)、从脱盐工厂(40)抽吸冷却的工作介质(33)、并将冷却的工作介质(33)朝着热交换器(30)泵送以将其加热。泵(36a、36b)是由第二压缩空气供应(15)和第四压缩空气供应(32)驱动的空气泵。

储存罐(37)(图4和图5中未示出)可以包括到压缩空气供应管线(13、15、31、32、46)的至少一个中或每一个中以储存压缩空气用于系统的启动或在启动时驱动泵36a、46b、38、48。图1中示出了储存罐(37)的一种可能布置。

次级回路(2)使工作介质(33)通过热交换器(30)以进行加热，热交换器(30)将工作介质(33)转变为蒸发的加热工作介质(34)。然后将加热工作介质(34)供给到膨胀机或涡轮机(10、10a)，以生成机械输出(12、12a)来驱动发电机(47)和压缩机(14)。当热交换器(30)提供额外的热能以将加热工作介质(34)转换为蒸气来驱动涡轮机(10、10a)时，在初级液体回路(1)中不需要闪蒸分离器。

加热工作介质(34)在大约95℃离开次级涡轮机(10a)，此时其被引导至脱盐工厂(40)的第一腔室(42)。随着次级回路(2)的工作介质行进通过第一腔室(42)，工作介质会损耗热量并降至50℃至60℃之间的温度，此时将工作介质(33)朝着循环泵(36b)引导返回。在离开泵(36b)时，在重复如所述的次级回路(2)之前，次级回路(2)的工作介质(33)被传回热交换器(30)已进行重新加热。

如图5中所示，空气压缩机(14)可以供应五个压缩空气供应管线(13、15、31、32、46)，压缩空气供应管线(13、15、31、32、46)如上所述与地热氢气生产系统(100)和图1和图2有关运行。在本发明的替代实施例中，可以由压缩机(14)供给五个以上的空气供应管线，以驱动其他机器/泵。

图6更清楚地提供了地热氢气生产系统(100)的示意图，设置了闪蒸分离器(25、25a)、闪蒸蒸气到相应的涡轮机(10、10a)的路线、以及残余加热液体(8、8a)，残余加热液体(8、8a)用于补充涡轮机(10、10a)的排出产物(9，9a)。

通常，当加热或初级液体回路(1)通过MED工厂(40)的第一腔室(42)时，脱盐工厂(40)将加热或初级液体回路(1)的温度降低大约20℃。MED工厂(40)的容量越大，需要来自初级液体回路(1)的热量就越多。相反，MED工厂(40)的容量越小，需要来自初级液体回路(1)的热量就越少。因此，在由地热井(5)加热的加热液体(4)中有足够的热能为脱盐工厂(40)提供动力，同时抽取热能并将热能转换为机械能以驱动系统(100)的发电机(47)和压缩机(14)。

淡水泵(38)从工厂(40)的淡水出口(20)中抽出淡的的脱盐的水(19)，然后将其泵送到电解槽(49)以连续地补充其中的电解质溶液(55)(图8和图9中更详细地示出)。

淡水泵(38)可以替代地由以下之一驱动：(i)直接地由补充涡轮机的机械输出驱动；(ii)由发电机(47)产生的电力驱动；或(iii)由压缩机(14)产生的压缩空气驱动，压缩机(14)由次级涡轮机(10a)和直接驱动轴(12a)驱动。

为了向地热氢气生产系统(100)的其他组件提供动力而无需额外的电力，将加热液体(4)(可以是水)输送通过第一闪蒸分离器(25)，在分离器(25)中压力降低以立即将一部分蒸汽闪蒸为水蒸气(6)；大约10％。

将水蒸汽(6)从分离器(25)的顶部抽出以驱动第一涡轮机(10)。涡轮机(10)直接地连接到发电机(47)，发电机(47)由涡轮机(10)的机械输出(12)驱动。在涡轮机(10)的排放物(9)被引导至第二闪蒸分离器(25a)以推动次级涡轮机(10a)并从而驱动压缩机(14)之前，涡轮机(10)的排放物(9)被残余加热液体(8)补充。

然后压缩机(14)供给多个压缩空气供应管线，如本文中所述第一压缩空气供应(13)驱动供应泵(29)，第二压缩空气供应(15)驱动启动泵(36a)以在需要时/如果需要启动初级液体回路(1)，第三压缩空气供应(31)驱动淡水泵(38)以供应电解槽(49)，第四压缩空气供应(32)驱动次级回路(2)的循环泵(36b)，第五压缩空气供应(46)驱动卤水排放泵(48)，盐水排放泵(48)从卤水出口(21)将卤水(脱盐过程的副产品)泵送出脱盐工厂(40)。

在图6的示意图中，供应泵(29)示出为靠近脱盐工厂(40)；然而，如本文中所述，供应泵(29)物理上位于盐水孔(18)内深处并且可以距离脱盐工厂(40)约10千米或更多。

如上与系统(100)和系统(101)有关所述，将环境空气(28)吸入压缩机(14)中，以便通过空气真空泵(22)(图6中未示出)将真空管线(24)供应到脱盐工厂(40)的腔室。

任何给定的地热氢气生产系统(100)所需的井(5)深度将取决于该地区的地质。井的深度将被定制，以在以足够的温度引入脱盐工厂(40)之前提供供给两个涡轮机(10、10a)所需的必要的热能。

现在转到图8，示出了地热氢气生产系统(100)，包括脱盐工厂(40)(40)和电解槽(49)，电解槽(49)配置为氢气电解槽，由来自发电机(47)的电力输出驱动。

将来自发电机(47)的电力通过导管(56)或电缆转移到转移到电解槽的阴极(52)和阳极(53)，以建立电回路。回路将电子从电解槽(49)的第一阳极侧转移到电解槽(49)的第二阴极侧。

电解槽(49)的两侧被隔膜(54)分开，隔膜(54)与阳极和阴极一起浸没在电解质溶液(55)中，以实现电解槽(或电解池)。

当向电解槽(49)的回路供能时，电解质溶液(55)(在这里是水)在阳极(53)周围反应，从而产生带有正电荷的氢离子(质子)、电子(带有负电荷)和氧气。可以在图10中所示的氧气出口(58)处从电解槽(49)抽出氧气(49)。

在聚合物电解质膜电解槽(PEM电解槽)中，分隔电解池两侧的隔膜(54)是一种实心塑料材料。当水在阳极(53)侧裂解时，质子跨过隔膜朝着阴极(52)迁移。同时，电子在电回路中从阳极流向阴极，因此质子与阴极(52)处的电子结合产生氢气。将氢气从电解槽(49)抽吸到氢气管线(50)中并将其引导至储存罐(51)进行储存。储存罐(51)可以是固定的或可运输的。

在电解槽(49)的任一侧的反应可以写为：

阳极反应：2H2O→O2+4H⁺+4e^-

阴极反应：4H⁺+4e^-→2H2

设想的是，可以由本文中描述的系统(100、101)驱动其他类型的电解槽(49)：例如，固体氧化物电解槽或碱性电解质。

如图8所示，不断地用来自脱盐工厂(40)的淡水(19)补充电解质溶液(55)，以维持电解槽(49)中的氢气产生反应。

发电机(47)优选地产生直流电流，并将直流电流直接地输送到电解槽(49)上的阴极(52)、负极端、和/或阳极(53)、正极端。

与图8类似，图9示出了地热氢气生产系统(102)，其具有如上所述电解槽(49)的其他详细信息。与系统(101)相对比，系统(102)由次级回路(2)驱动第一涡轮机，而由初级液体回路(1)驱动次级涡轮机(10a)。

地热氢气生产系统(102)包括初级回路和次级回路，初级液体回路将液体循环到地热井中并从地热井的井口返回加热液体，加热液体在通过脱盐工厂之前供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，其中次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，初级回路的加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；并且其中第一机械输出驱动发电机，该发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，第二机械输出驱动空气压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，其中第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到脱盐工厂，第二压缩空气供应驱动启动泵以启动初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从脱盐工厂输送到电解槽。

在图9中，次级涡轮机(10a)产生第二机械输出(12a)以驱动压缩机(14)；然而，已经将第二涡轮机重新定位为由初级液体回路(1)而不是次级回路(2)来驱动。在图9的系统(102)中，第一涡轮机(10)是唯一由次级回路(2)驱动的涡轮机，因此引导给予第二回路的所有地热能来通过发电机(47)产生电力。

当初级液体回路(1)通过热交换器(30)之后，在初级液体回路(1)中仍然有足够的地热能来驱动次级涡轮机(10a)，从次级涡轮机(10a)抽取第二机械输出(12a)。第二机械输出(12a)配置为直接地或间接地驱动压缩机(14)，以充注系统(101)内的多个空气供应管线(13、15、31)。在图9中，压缩机(14)直接地由来自次级涡轮机(10a)的驱动轴驱动。

图9示出了用于生产氢气的系统(102)，其中一对涡轮机(10、10a)是由不同的回路驱动的。图9还为系统(102)的不同部分提供了一些温度范围，这些温度范围是使用8,000m-10,000m深度的井(5)计算的。这些温度基于计算并且可以有一些变化幅度。在井(5)的底部将是大约350℃-500℃的温度，在初级液体回路(1)中产生大约200℃-300℃的水温。

当工作介质离开涡轮机(10)时，在工作介质进入脱盐工厂(40)的第一腔室(42)之前，温度将在85℃-95℃之间。脱盐工厂的第一腔室的最佳中等温度为72℃。当工作介质离开脱盐工厂(40)时，其温度下降至大约50℃-60℃。

在系统(102)中，如图9所示，当低成本地热电力和零排放蒸馏水供给到氢气电解槽(49)时，可以在没有排放物的情况下以非常低的成本生产绿色氢气。

在系统(102)的实施例中，较低温度和较低压力的涡轮机(10)物理上位于初级液体回路(1)内，并由初级液体回路(1)驱动压缩机(14)。然而，较高温度和较高压力的第一涡轮机(10)由来自次级回路(2)的加热工作介质(34)中的蒸汽(或水蒸气)驱动。

当使用具有次级回路(2)的系统时，较低温度/压力的次级涡轮机(10a)可以由次级回路(2)驱动(如图4的系统(101)所示)或由初级液体回路(1)驱动(如图9的系统(102)所示)。

图9中示意性地所示的工厂使用电解槽(49)和淡水(19)的供应产生大量的氢气，淡水(19)被蒸馏并从脱盐工厂(40)中抽出。

图10是根据本发明的一个实施例的地热氢气生产和压缩系统(103)的示意图。

在系统(103)中，第三级涡轮机(10b)由初级液体回路(1)驱动，以产生第三级或第三机械输出(12b)，压缩机(57)由第三机械输出(12b)驱动。压缩机(57)与氢气管线(50)流体连通，以在将氢气送到储存罐(51)进行储存之前压缩氢气。

虽然第三机械输出(12b)驱动压缩机(57)压缩由电解槽(49)产生的氢气(49)，但是在来自第三级涡轮机(10b)的初级液体排放物(9b)重新注入地热井(5)中之前，初级液体排放物(9b)以大约95℃的温度供给到脱盐工厂(40)并以大约60℃-70℃离开脱盐工厂(40)的最后的腔室(44)。

第一涡轮机(10)接收来自第一分离器(25)的闪蒸的蒸气，该蒸气(6)是最热的并且将提供最大的能量来驱动发电机(47)。

与系统(100-102)一样，来自涡轮机(10)的排放物(9)被合并到系统(103)中的初级液体回路(1)，从而在排放物(9)供给到次级分离器(25a)之前，用来自第一分离器(25)的饱和水蒸汽或残余加热液体(8)对排放物(9)重新供能。

次级分离器(25a)闪蒸液体(中度水蒸汽)(6a)，液体(6a)用于通过来自次级涡轮机(10a)的第二机械输出(12a)来驱动压缩机(14)。

在将次级涡轮机(10a)的排放物(9a)输入到第三分离器(25b)之前，用来自次级分离器(25a)的加热残余输出给次级涡轮机(10a)的排放物(9a)重新充能。加热液体(4)被闪蒸以产生低水蒸汽输出(6b)并用于驱动第三级涡轮机(10b)，然后由第三机械输出(12b)驱动氢气压缩机(57)。

在来自第三级涡轮机(10b)的排放物(9b)供给到第四分离器(25c)之前，将来自第三级涡轮机(10b)的排放物(9b)与来自第三分离器(25b)的残余加热液体(8b)混合，其输出(6c)以大约95℃供给到脱盐工厂(40)的第一腔室(42)。

将来自第四分离器(25c)的残余输出(8c)输送回初级液体回路(1)中并与来自脱盐工厂(40)的输出(40a)组合，来自脱盐工厂(40)的输出(40a)被引导回到井口(7)以进行重新加热。初级液体回路(1)也可以接收来自补充供应管线(43)的淡水(19)。

根据理论计算，初级液体回路(1)的冷却液体(3)将以大约55℃至85℃的温度离开脱盐工厂(40)，或者如果水蒸汽供给到脱盐工厂的话温度会更高。

在需要时，可以从脱盐工厂(40)的淡水出口(20)补充初级液体回路(1)。补充供应离开脱盐工厂(40)并进入补充水供应管线(43)以从回路的冷侧集成到初级液体回路(1)。从供应管线(43)新添加的淡水在循环初级液体回路(1)之前直接传送到井口(7)以进行加热。

在另一设想的实施例中，本发明提供了一种地热氢气生产和压缩系统(104)，该系统包括图11中示出的初级液体回路(1)和次级回路(2)，用于生产和压缩氢气。

地热氢气生产和压缩系统(104)包括：初级液体回路(1)和次级回路(2)，初级液体回路(1)将液体(3)循环到地热井(5)中并从地热井(5)的井口(7)返回加热液体(4)，加热液体(4)通过初级液体回路(1)中的脱盐工厂(40)，初级回路(1)的加热液体(4)通过热交换器(30)以加热次级回路的工作介质(33)，其中次级回路(2)的加热工作介质(34)驱动第一涡轮机(10)产生第一机械输出(12)，初级回路的加热液体(4)驱动第二涡轮机(10a)产生第二机械输出(12a)；第一机械输出(12)驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向通过水电解产生氢气的电解槽(49)供电，第二机械输出(12a)驱动第一压缩机(14)和第二压缩机(57)，第一压缩机(14)配置为压缩空气，第二压缩机(57)配置为压缩氢气，其中第一空气压缩机(14)提供第一压缩空气供应(13)、第二压缩空气供应(15)和第三压缩空气供应(31)中的至少一个，第一压缩空气供应(13)驱动供应泵(29)将盐水(16)供应到脱盐工厂(40)，第二压缩空气供应(15)驱动启动泵(36a)以启动初级液体回路(1)，第三压缩空气供应(31)驱动淡水泵(38)以将淡水(19)从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。

较低压力次级涡轮机(10a)配置为使用初级液体回路(1)中的地热从用于压缩氢气的压缩机(14)和压缩机(57)驱动一系列空气泵(29、36a、38)。在图11的二元系统布置中，仅由次级回路(2)产生电力。在热交换器(30)已经从初级液体回路(1)吸收了足够的热能以加热次级回路(2)来发电之后，用于驱动其他涡轮机和压缩机的其余能量来自初级液体回路(1)。与图9中所示脱盐工厂(40)由次级回路(2)供应的系统(102)相对比，在系统(104)中，脱盐工厂(40)由初级液体回路(1)供应。

将图11与图9进行对比，在系统(102)中，用来自第二或二元回路(2)的热能来给脱盐工厂(40)供能。相比之下，图11的脱盐工厂(40)由来自初级液体回路(1)的地热能供能。该系统(104)设计用于以下情况，井口(7)温度低于250℃，并且初级液体回路(1)没有达到足够的温度来驱动第一涡轮机(10)用于为第一机械输出(12)的发电机(47)提供动力。

图11示出了由次级涡轮机(10a)直接地驱动的多个压缩机(14、57)，其中压缩机(14)由第二机械输出(12a)驱动，压缩机(57)由第三机械输出(57)驱动。尽管图11的示意图示出了两个压缩机(14、57)在次级涡轮机(10a)的相对侧被轴驱动从而有效地共享单个轴(输送机械输出12a、12b)，但是技术人员将理解还有其他物理布置，其中一对压缩机(或更多)可以由在次级涡轮机(10a)的一侧的一对机械输出(12a、12b)驱动。

压缩机中的第一压缩机(14)配置为压缩空气并供应多个压缩空气供应(13、15、31)，多个压缩空气供应(13、15、31)驱动系统(104)的泵(29、36a、38)。该系统还可以包括额外的空气驱动泵，例如：循环泵(36b)，其帮助工作流体在次级回路中的循环；卤水排放泵(48)，其在盐水(16)蒸馏期间泵送来自脱盐工厂(40)的卤水；废水泵(61)，其泵送来自氢气电解槽(49)中的废水。上述每个泵都可以实施为空气驱动泵，由空气压缩机(14)供给的空气供应管线提供动力。

压缩机中的第二压缩机(57)配置为压缩氢气并与氢气管线(50)流体连通，氢气管线(50)收集从电解槽(49)的阴极(52)抽出的氢气。一旦收集并压缩，“绿色”氢气就可以运输用于出售或使用。

系统(104)还可以包括用于次级回路(2)的淡水冷却系统。冷却系统以淡水冷凝器(59)的形式提供。淡水冷凝器(59)从次级回路(2)中抽取热能，以冷却第二回路(2)以及在通过热淡水管(59a)将从脱盐工厂(40)蒸馏的淡水(19)供应到电解槽(49)之前加热从脱盐工厂(40)蒸馏的淡水(19)。

淡水冷凝器(59)提供了两个优势：(1)在将蒸馏水输送到电解槽(49)之前，淡水冷凝器(59)加热蒸馏水，以提高氢气产生效率；(2)淡水冷凝器(59)为次级回路(2)提供了淡水(低维护)冷却器和冷凝器。来自MED工厂(40)的蒸馏水或淡水(19)流过该淡水冷凝器(59)是通过在脱盐工厂之前的初级回路中的热能实现的。

次级盐水或海水冷却器/冷凝器(60)也可以包括到系统中(104)。可以激活该盐水冷凝器(60)用以对次级回路(2)中工作介质进行额外的冷却和冷凝，或者当需要较低的发电水平时停用盐水冷凝器(60)，因为较低的发电水平需要较低的冷却/冷凝水平。

盐水冷凝器(60)从次级回路(2)中抽取热能，以冷却次级回路(2)并在将盐水(16)供应到脱盐工厂(40)的第一腔室(42)中蒸馏之前加热盐水(16)。盐水或海水的流动也通过热能来实现。

在该系统(104)中，只有一个螺杆膨胀机或次级涡轮机(10a)通过单个轴(12a)驱动空气压缩机(14)和氢气压缩机(57)。压缩机(14、57)可以分别在次级涡轮机(10a)的两侧，或者它们在同一侧，驱动轴(12a)穿过第一压缩机(14)以驱动第二压缩机(57)。

在系统(104)中，预期电解槽(49)将仅使用由脱盐工厂(40)生产的淡水(19)的一部分，因此，将产生额外的淡水用于出售。

可以进一步预期，可以由发电机(47)产生额外的电力，然后还可以将额外的电力出售给单个用户或回到电网。在一些实施例中，发电机(47)产生的电力可用于为以下中的一个或多个提供动力：供应泵(29)；启动泵(36a)；循环泵(36b)；淡水泵(38)；和卤水泵(48)。

示出系统(104)从海洋中抽取海水或盐水(16)，然而，设想的是所需的盐水也可以如与本发明的其他实施例相关所述的从盐水孔(18)或多个盐水孔(18)中抽取。所以同样，图11中示出的地热井(5)也可以由多个地热井(5)组成，每个地热井(5)产生为系统(100、101、102、103、104)提供动力所需的地热能的一部分。

设想了本发明的另一混合实施例，如图9中所示的系统(102)与第二压缩机(57)结合，第二压缩机(57)用于压缩由电解槽(49)产生的氢气。该实施例未示出，并将图11的双压缩机(14、57)与图9的次级回路(2)结合，因此由次级回路(2)中的热能供应脱盐工厂(40)，而不是如与图11的系统(104)有关所示和所述的由来自初级液体回路(1)的液体供应脱盐工厂(40)。

地热氢气生产和压缩系统的这种混合实施例包括初级液体回路(1)和次级回路(2)，初级液体回路(1)将液体循环到地热井(5)中并从地热井(5)的井口(7)返回加热液体，初级回路(1)的加热液体供给到热交换器(30)以加热次级回路(2)的工作介质(33)，加热工作介质通过脱盐工厂(40)，其中次级回路(2)的加热工作介质(43)驱动第一涡轮机(10)产生第一机械输出(12)，初级液体回路(1)的加热液体(4)驱动次级涡轮机(10a)产生第二机械输出(12a)；第一机械输出(12)驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向通过水的电解产生氢气的电解槽(49)供电，第二机械输出(12a)驱动第一压缩机(14)和第二压缩机(57)，第一压缩机(14)配置为压缩空气，第二压缩机(57)配置为压缩氢气，其中第一压缩机(14)供应第一压缩空气供应(13)、第二压缩空气供应(15)和第三压缩空气供应(31)，第一压缩空气供应(13)驱动供应泵(29)将盐水(16)供应到脱盐工厂(40)，第二压缩空气供应(15)驱动启动泵(36a)以启动初级液体回路(1)，第三压缩空气供应(31)驱动淡水泵以将淡水(19)从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。

根据第五方面，本发明提供了一种生成和供给淡水(19)到电解槽(49)以生产氢气的方法，由地热能提供动力并由压缩空气驱动，包括以下步骤：将液体供给到地热井(5)中，并从地热井(5)的井口(7)抽出加热液体(4)以形成初级液体回路(1)，初级液体回路(1)通过脱盐工厂(40)(步骤400)；将来自初级液体回路(1)的加热液体(4)传送到第一涡轮机(10)和次级涡轮机(10a)以分别产生第一机械输出(12)和第二机械输出(12a)(步骤401)；将第一机械输出(12)引导到发电机(47)以向电解槽(47)供电(步骤402)；并将第二机械输出(12a)引导到空气压缩机(14)以产生第一压缩空气供应(13)、第二压缩空气供应(15)和第三压缩空气供应(31)中的至少一个(步骤403)，其中第一压缩空气供应(13)配置为驱动位于盐水孔(18)中的供应泵(29)，供应泵(29)驱动压缩空气进入地平面以下的盐水孔以将盐水(16)从盐水孔(18)驱动到脱盐工厂(40)(步骤404)，第二压缩空气供应(15)驱动启动泵(36a)以启动初级液体回路(1)(步骤405)，第三压缩空气供应(31)驱动淡水泵(38)以将淡水(19)从脱盐工厂(40)输送到电解槽(47)以分解为氢气和氧气(步骤406)。

地热氢气生产系统(100)不需要电力，并且使用热虹吸效应用于能量需求来维持初级液体回路(1)并向脱盐工厂(40)输送盐水(16)。因此，由系统产生的氢气可以称为“绿色氢气”。

由地热能提供动力并由压缩空气驱动的该生成和供给淡水(19)到电解槽(49)以生产氢气的方法与图12有关进一步进行了描述。

在一些实施例中，步骤401将加热液体输送到涡轮机(10、10a)由初级液体回路(1)直接地驱动。或者，可以将初级液体回路(1)配置为通过热交换器(30)将热能传送到次级回路(2)，在这种情况下那么涡轮机(10、10a)将由次级回路(2)驱动。或者，第一涡轮机和第二涡轮机(10、10a)可以由单独的回路(1、2)驱动。由于发电需要比驱动压缩机所需的地热能更多的地热能，在单回路系统(100)中，发电机(47)将优选地由初级液体回路(1)驱动，在二元回路系统(101、102、104)中，发电机(47)将优选地由次级回路(2)驱动。

在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：通过启动泵(36a)泵送初级液体回路(1)周围的液体(3)，以启动液体在初级液体回路(1)中的循环。

在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：泵送次级回路(2)周围的工作介质(33)以在将工作介质(33)传送回热交换器(30)进行加热之前从脱盐工厂(40)抽取冷的工作介质(33)。

在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：泵送次级回路(2)周围的工作介质(33)同时在将冷却液体(3)传送回地热井(5)进行重新加热之前从脱盐工厂(40)抽取初级液体回路(1)中的冷却液体(3)。

因此，次级涡轮机(10a)配置为由初级液体回路(1)或次级回路(2)中之一的加热液体(4)或加热工作介质(34)驱动，以产生第一机械输出(12)和第二机械输出(12a)。第一机械输出和第二机械输出中的至少一个可以用于驱动至少一个压缩机(14)。第一机械输出和第二机械输出(12、12a)中的至少一个可以用于驱动发电机(47)。

进一步设想的是，第三级涡轮机(10b)可以由初级液体回路(1)或次级液体回路(2)驱动以产生第三机械输出(12b)。第三机械输出(12b)可用于驱动压缩机(57)，压缩机(57)可以布置为压缩来自氢气电解槽(47)的氢气输出或氧气输出中的至少一种。

在一些实施例中，初级液体回路(1)的加热液体(4)循环通过脱盐工厂(40)以蒸馏其中的水。在其他实施例中，次级回路(2)的加热工作介质(34)循环通过脱盐工厂(40)以蒸发其中的水。

在一些实施例中，压缩空气供应还传送到补充空气供应以驱动补充泵。补充泵(36b、48、61)可以配置为维持次级回路中的压力，或配置为泵送来自脱盐工厂的卤水，或配置为泵送来自电解槽的废水，或配置为泵送来自电解槽的氧气。在一些实施例中，泵(29、36a、38)和补充泵(36a、48、61)中的一个或多个可以由发电机(47)产生的电力驱动。然而，从发电机(47)抽取过多电力将降低电解槽(49)的能力。

地热氨气生产系统

参考图13-图15，在本发明的又另一实施例中，提供了一种地热氨气的生产系统。

图13-15分别基于图9-11中所示的系统。本文中与图9-11(系统102、103、104)有关所述的所有特征都存在于如图13-15中所示的地热氨气生产系统(102a、103a、104a)中。现在将详细描述图13-15的其他组件(与图9-11相比)以及它们与上述系统(102、103、104)的互连性。

首先参考图13的地热氨气生产系统(102a)(基于图9的系统(102))。图13是根据本发明的实施例的具有次级回路或二元回路的地热氢气和氨气生产工厂的示意图，其中第一涡轮机由次级回路驱动，第二涡轮机由初级回路驱动。

地热氨气生产系统(102a)包括初级液体回路(1)和次级回路(2)，初级液体回路将液体循环到地热井(5)中并从地热井的井口(7)返回加热液体(4)，初级液体回路(1)的加热液体供给到热交换器(30)以加热次级回路(2)的工作介质，加热工作介质(34)通过脱盐工厂(40)，其中次级回路的加热工作介质(34)驱动第一涡轮机(10)产生第一机械输出(12)，初级液体回路(1)的加热液体(4)驱动次级涡轮机(10a)产生第二机械输出(12a)，第一机械输出驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向(i)通过水的电解产生氢气的电解槽(49)和(ii)氨气生产工厂(206)供电，第二机械输出驱动空气压缩机(14)，空气压缩机(14)抽吸环境空气(28)通过氮气工厂(205)，以将氮气从环境空气分离来供给氨气生产工厂(206)，其中第一机械输出和第二机械输出中的任何一个配置为驱动供应泵(29)以向脱盐工厂供应盐水以及驱动淡水泵(38)以将淡水从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。第一机械输出和第二机械输出可以进一步配置为驱动初级液体回路(1)的启动泵(36a)以及驱动循环泵(36b)以驱动次级回路(2)的工作介质。

氨气生产工厂(206)可以是Haber-Bosch氨气生产工厂，但不限于Haber-Bosch工艺。

虽然图13中的系统(102a)示出了分别驱动多个泵(29、36a、38、36b、23)的多个压缩空气管线(13、15、31、32、46)，但是进一步设想的是，泵(29、36a、38、36b、23)中的任一个或多个可以由发电机(47)的电输出提供动力。虽然这将降低运行电解槽(49)的可用电力，但是可能有地理的或物理的限制，这需要将一个或多个空气泵被替换为电动泵。在一些实施例中，泵(29、36a、38、36b、23)中的每一个都可以由发电机(47)的电输出驱动。

空气压缩机(14)吸入环境空气用于压缩以驱动泵(29、36a、38、36b、23)，并还配置为通过氮气工厂空气吸入管线(272)将环境空气吸入氮气工厂(205)。在氮气工厂(205)中，迫使压缩空气通过过滤器以将氮气和氧气从压缩空气分离(图14中未示出一系列过滤器和氮气压缩机)，从而向氮气管线(273)提供压缩氮气的来源。在将氮气输送到氨气生产工厂(206)之前，压缩过程将氮气加热到大约400℃-600℃。

图13还示出了电缆(270、271)形式的输电线，从而由发电机(47)向氨气生产工厂(206)提供电力。

当从电解槽(49)中抽出氢气时，氢气被输送到储存罐(51)进行运输或储存以及还输送到氨气生产工厂(206)。

连同来自氮气管线(273)的氮气供应、来自发电机(47)的电力、以及来自电解槽(49)的氢气，氨气生产工厂(206)需要热能或热量，热能或热量是从初级液体回路(1)中抽取的(如图14和图15详细所示)。

氨气排出管线(274)将来自氨气生产工厂(206)的氨气传送到储存罐(278)或油车进行运输。

据计算，需要额外的11kWh/kg的电力来运行氨气生产系统。

氮气工厂(205)也将排放来自抽吸穿过氮气工厂(205)的环境空气的氧气。来自氮气工厂(205)的氧气可以与从电解槽(49)的氧气出口(58)抽出的氧气(49)结合，并且可以储存、出售或重新引入工厂(205)或系统周围的盐水(16)来源或蓄水池，以对环境重新供氧和重新注入活力。这可以提高海洋或盐水供应(18)中的氧气水平并支持当地的动植物群。

氨气生产系统(102a)的更多详细信息将与系统(103a、104a)有关进行描述。

下面参考图14的地热氨气生产系统(103a)(基于图10的系统(103))。图14是根据本发明的实施例的地热氢气和氨气生产系统的示意图，其中三个涡轮机由初级回路驱动以产生电能、驱动空气压缩机、氢气压缩机和氧气压缩机，足够的废热也供应MED脱盐工厂。

图14的地热氨气生产系统(103a)包括：初级液体回路(1)，其将液体循环到地热井(5)中，并从地热井(7)的井口(7)中返回加热液体，初级液体回路(1)通过脱盐工厂(40)；第一涡轮机(10)、次级涡轮机(10a)和第三级涡轮机(10b)，由加热液体(4)驱动以产生第一机械输出(12)、第二机械输出(12a)和第三机械输出(12b)；其中第一机械输出(12)驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向(i)通过淡水电解产生氢气的电解槽(49)和(ii)氨气生产工厂(206)供电，第二机械输出(12a)驱动空气压缩机(14)，空气压缩机(14)抽吸环境空气通过氮气工厂(205)，以将氮气从环境空气分离来供给氨气生产工厂(206)，第三机械输出(12b)配置为驱动压缩机(57)压缩由电解槽(49)产生的氢气并将压缩氢气供给到氨气生产工厂(206)；其中第一机械输出(12)、第二机械输出(12a)和第三机械输出(12b)中的任何一个配置为驱动供应泵(29)以向脱盐工厂(40)供应盐水以及驱动淡水泵(38)将淡水从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。

系统(103a)与图13中所示的系统(102a)的不同之处在于，初级液体的地热包含在初级液体回路(1)中，并反复闪蒸以提供所需的蒸气(6)来驱动第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机。

向氨气生产工厂(206)供应氮气、电力和氢气如以上有关系统(102a)所述。为了向氨气生产工厂(206)供应热能，在加热液体(4)在分离器(25)中闪蒸之前，在排出点(200)处从初级液体回路(1)中抽取热源。氨气生产过程的热量需求将需要在加热液体(4)闪蒸或引导至热交换器(30)之前直接地从井口(7)抽取热源。如图14中所示，初级液体回路(1)的加热液体(4)传送到氨气生产工厂(206)，通过输入箭头示意性地表示排出点(200)。

以200℃-400℃之间的温度在排出点(200)处抽出来自初级回路(1)的加热液体(4)。该温度在一定程度上由井(5)的深度以及其中的热梯度决定。在排出点(200)处从初级液体回路(1)转移的液体的量可以是总流量的1％到20％中的任何值，但是优选地是在产生动力之前从初级回路(1)抽取。从处于最初高温离开井口(7)的初级液体回路(1)抽取热量将降低涡轮机入口处的温度，这将导致发电机(47)产生的电力减少。然而，这仍然是比使用来自发电机(47)的电力用于氨气工厂(206)的加热更有效的过程。

加热液体(4)从氨气生产工厂(206)排出，并在重新注入点(201)处输送回初级液体回路(1)中。在图14中示意性示出了重新注入点(201)，重新注入点(201)离开氨气生产工厂(206)并在闪蒸分离器(25)之后将从氨气生产工厂(206)排出的加热液体(4)供给回初级液体回路(1)：进入从分离器(25)输出残余加热液体(8)。离开工厂(206)到重新注入点(201)的液体(4)的温度将在150℃至300℃之间。该温度将取决于加热液体(4)的流速，加热液体(4)的流速由生产的氨气的量决定。因此，在来自初级液体回路(1)的热量用于脱盐之前，将该加热液体(4)重新引入到地热封闭初级液体回路(1)中。

重新注入点(201a)到初级回路(1)的第二可选位置是在第三分离器(25b)的入口处进入从第二分离器(25a)排出的残余加热液体(8a)。如果氨气生产水平升高并且从通过氨气工厂(206)的加热液体(4)中获取了更多热量，则可以使用重新注入点(201a)进入初级液体回路(1)。如果从氨气工厂(206)中出来的加热液体(4)的温度降低到大约200℃，则将重新注入点(201a)定位在第三分离器(25b)之前并且在来自初级液体回路(1)的热量用于脱盐之前。

重新注入点(201b)到初级液体回路(1)的第三可选位置是在第四分离器(25c)的入口处进入来自第三分离器(25b)的排放物(8b)。如果氨气生产水平升高并且从通过氨气工厂(206)的加热液体(4)中获取了更多热量，则可以使用重新注入点(201a)进入初级液体回路(1)。如果从氨气工厂(206)中出来的加热液体(4)的温度降低到大约150℃，则将重新注入点(201b)定位在第四分离器(25c)之前并且在来自初级液体回路(1)的热量用于脱盐之前。

重新注入点(201、201a、201b)是可选的，并且可以根据氨气产生水平而改变。将排出的液体(4)重新注入回到初级液体回路(1)中不会不利地影响分离器(25a、25b、25c)的输出，因为选择重新注入点(201、201a、201b)使得来自氨气工厂(206)的排放物(201、201a、201b)以与初级液体回路(1)中的加热液体(4)的温度相应的温度返回初级液体回路(1)。因此，氨气生产工厂(206)的排出液体的重新注入点(201、201a，201b)将与初级液体回路(1)中处于相似的温度的加热液体(4)相结合：在一个或多个过程已经抽取热能用于产生动力或泵送等之后，来自氨气生产工厂(206)的排放液体温度越低，在进入初级液体回路(1)的重新注入点处的温度越低。

除了图13所示之外，系统(103a)包括氢气冷却器(276)。当压缩机(57)压缩氢气时，氢气的温度向上增加400℃(最高600℃)。氢气和氮气越热，氨气生产工厂(206)中的氨气合成过程越好。此外，如果进来的气体的温度更热，则需要较小的压力。

加热压缩氢气通过加热氢气管线(275)供给到氨气生产工厂(206)，但需要冷却以存放或运输。可以将简单的阀装置添加到加热氢气管线(275)中，以允许氢气(206)供应到要启动或停止的氨气生产工厂(206)。氢气冷却器(276)是一种水冷却器并用由供应泵(29)抽取的海水(盐水)(16)在通往脱盐工厂(40)的途中填充。要通过加热氢气管线(275)输送到氨气生产工厂(206)的氢气是在氢气进入氢气冷却器(276)之前从压缩氢气管线(50a)抽取的。

由于加热氢气管线(275)中的加热氢气已经处于高温，因此可以将额外的热源(200)保留为可选的热源，用于氨气生产工厂(206)需要额外的热能的情况。在分离器(25)之前将热能从初级液体回路(1)中抽出将降低系统(103a)产生电力的能力。

系统(103a)示出了额外的氧气压缩机(277)，氧气压缩机(277)可以添加到系统(102a)中，但图13中未示出。氧气压缩机(277)压缩从电解槽(49)抽取的氧气(58)并还可以由氮气工厂(205)的排放物供给。

为了清楚起见，在图14中两次示出氧气压缩机(277)，尽管它是同一个压缩机。氧气压缩机(277)由来自次级涡轮机(10a)的第二机械输出(12a)驱动。这是由次级涡轮机(10a)驱动的双压缩机装置(14、277)。技术人员将理解可以使用多种配置来由一个涡轮机驱动两个压缩机，本发明不限于图14的示意图。

未在图14中示出，进一步设想的是可以使用第三机械输出(12b)由第三级涡轮机(10b)驱动氧气压缩机(277)，以向系统(103a)的氧气压缩机和氢气压缩机提供动力。在系统(103a)的又另一实施例中，来自发电机(47)的电力可用于驱动氧气压缩机(277)，注意这将降低系统(103a)的其他部分可用的电力。

当使用来自压缩机(14)的压缩空气供应来驱动泵(29、36a、38、36b、23)时，系统将会引导最大的热能来通过发电机(47)发电。然而，可以理解，可以通过多种方式定制该系统，以最好地利用地热井(5)中的热能。使用压缩空气向系统(103a)的各个部分提供氮气、氢气、氧气和水提供了最有效的操作模式。通过将电能从电解槽中的氢气产生过程中转移，氢气生产效率要低很多，但仍然是“绿色的”氢气产生过程，因为地热能提供了电力，但不会像使用来自初级液体回路(1)的废热能驱动外围泵送过程那样有效。据计算，系统(103a)内的泵送、冷却和压缩过程会需要多达100kWh，如果从发电机(47)中抽取，这将降低到电解槽(49)和氨气生产工厂(206)的电力。

参考图15的地热氨气生产系统(104a)(基于图11的系统(104))。图15是根据本发明的一个实施例的地热氢气和氨气生产工厂的示意图，其中第一涡轮机由次级回路驱动向发电机提供动力，初级回路配置为驱动空气压缩机、氢气压缩机和氧气压缩机。

系统(104a)包括初级回路(1)和次级回路(2)，初级液体回路将液体(3)循环进入地热井(5)，并从地热井(5)的井口(7)处返回加热液体(4)，加热液体(4)通过初级液体回路(1)中的脱盐工厂(40)，初级回路(1)的加热液体通过热交换器(30)以加热次级回路(2)的工作介质(33)，其中次级回路(2)的加热工作介质(34)驱动第一涡轮机(10)产生第一机械输出(12)，初级回路(1)的加热液体(4)驱动次级涡轮机(10a)产生第二机械输出(12a)；第一机械输出(12)驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向(i)通过水的电解产生氢气的电解槽(49)和(ii)氨气生产工厂(206)供电，第二机械输出(12a)驱动第一空气压缩机(14)和第二空气压缩机(57)，第一空气压缩机(14)配置为抽吸环境空气通过氮气工厂(205)，以将氮气从环境空气分离来供给氨气生产工厂(206)，第二空气压缩机(57)配置为压缩由电解槽(49)产生的氢气并将压缩氢气供给到氨气生产工厂(206)，其中第一机械输出(12)和第二机械输出(12a)中的任何一个配置为驱动供应泵(29)以向脱盐工厂(40)供应盐水以及驱动淡水泵(38)将淡水从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。

在系统(104a)中，脱盐工厂(40)和第二机械输出(12a)均由初级液体回路(1)中的热能中驱动。如图15中所示，第二涡轮机(10a)要驱动三个压缩机：空气压缩机(14)、氢气压缩机(57)、和氧气压缩机(277)。空气压缩机(14)配置为提供多个压缩空气供应(13、15、31、32、46)，以驱动系统(104a)的泵(29、36a、38、36b、23)。然而，如本文中前面所述，泵(29、36a、38、36b、23)中的任何一个也可以由发电机(47)电力驱动。

在系统(104a)中，加热液体(4)在排出点(200)处直接地从井口(7)抽出并且在重新注入点(201)处重新引入到初级回路中，其中排出点(200)和重新注入点(201)均定位在加热液体(4)进入热交换器(30)之前。

图15中也示出可选的次级重新注入点(201a)，其位于初级液体回路(1)中的加热液体(4)离开热交换器(30)之后和加热液体(4)引入脱盐工厂(40)之前。

如本文中所述，来自氨气生产工厂(206)的排放液体的重新注入点(201、201a)将与初级液体回路(1)中处于相似温度的加热液体(4)组合：在一个或多个过程已经提取热能用于发电和泵送等之后，来自氨气生产工厂(206)的排放液体温度越低，在进入初级液体回路(1)的重新注入点处温度越低。

还将氢气冷却器(276)包括到系统(104a)中，以冷却压缩氢气管线(50a)中的氢气，该氢气可以超过500℃。如参考图14所述，氢气冷却器(276)是一种水冷却器并用由供应泵(29)抽取的朝着脱盐工厂(40)的海水(盐水)(16)填充。要通过加热氢气管线(275)输送到氨气生产工厂(206)的氢气是在氢气进入氢气冷却器(276)之前从压缩氢气管线(50a)抽取的。

如本文中与图11有关所述，系统(104a)还为次级回路(2)提供了淡水冷却系统。冷却系统以淡水冷凝器(59)的形式提供。淡水冷凝器(59)从次级回路(2)中抽取热能，以冷却次级回路(2)并在从脱盐工厂(40)蒸馏的淡水(19)通过热淡水管(59a)供应到电解槽(49)之前加热从脱盐工厂(40)蒸馏的淡水(19)。

淡水冷凝器(59)在蒸馏水输送到电解槽(49)之前加热蒸馏水以提高氢气生产效率，并为次级回路(2)提供淡水(低维护)冷却器和冷凝器。来自MED工厂(40)的蒸馏水或淡水(19)流动通过该淡水冷凝器(59)是通过初级液体回路(1)中的热能实现的。

如本文中与图11有关所述，系统(104a)还提供了次级盐水冷凝器(60)。可以激活盐水冷凝器(60)用于次级回路(2)中的加热工作介质(34)的额外冷却和冷凝，或当需要较低的发电水平时停用盐水冷凝器(60)，因为较低的发电水平需要较低的冷却/冷凝水平。

盐水冷凝器(60)从次级回路(2)中抽出热能，从而冷却次级回路(2)并在盐水(16)供应到脱盐工厂(40)进行蒸馏之前加热盐水(16)。海水或盐水(16)的流动也通过热能实现。

进一步设想的是，可以将额外的泵添加到系统(102a、103a、104a)中的任何一个，以压缩来自氨气生产工厂(206)的氨气输出。该泵(图13-15中未示出)可以由来自压缩机(14)的压缩空气或由来自发电机(47)的电力驱动。

虽然本文中氮气工厂(205)被描述为将氮气从环境空气分离，但是还设想的是可以从水中提取氮气来供应氨气生产工厂(206)。

虽然本文中氨气生产工厂(206)被描述为Haber-Bosch工艺工厂，但是设想的是可以使用如本文中所述的系统由井的地热能驱动氨气生产替代方法。

参考图16的地热氨气生产系统(103b)(基于图14的系统(103a))。图16是根据本发明的一个实施例的地热氢气和氨气生产工厂的示意图，其中已经设置了区域冷却系统(64)和冷却池(62、63)，以向系统(103a)提供额外的冷却。

系统(103b)包括：初级液体回路(1)，其将液体循环到地热井(5)中，并从地热井(5)的井口(7)中返回加热液体，初级液体回路(1)将热能输送到脱盐工厂(40)；以及第一涡轮机(10)和第二涡轮机(10a)，由加热液体(4)驱动以产生第一机械输出(12)和第二机械输出(12a)，其中第一机械输出(12)驱动发电机(47)，发电机(47)配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽(49)供电，第二机械输出(12a)驱动第二发电机(47a)，第二发电机(47a)配置为向电网提供电力；以及冷却回路(204)，其与区域冷却系统(64)连接，冷却回路(204)包括由初级液体回路(1)的残余热能驱动的冷却器(203)。冷却器(203)可以是吸收冷却器。

第一发电机(47)优选地是直流发电机，并且将主要用于向电解槽(49)供电。在系统(103b)的一些实施例中，来自直流发电机(47)电力也可以用于为系统(103b)内的泵和压缩机供电，例如：以启动初级液体回路(1)；以将盐水泵送到脱盐工厂(40)；以压缩来自电解槽(49)的氢气；以及将淡水从脱盐工厂(40)泵送到电解槽(49)。

第二发电机(47a)优选地是一种交流发电机，该交流发电机配置为将额外的电能直接送回当地的能源网。这为系统(103b)提供了额外的商业收入来源。

在一些实施例中，系统(103b)还包括压缩机(14)，压缩机(14)由第一机械输出(12)和第二机械输出(12a)中的任何一个驱动，以供应至少一个压缩空气供应，该至少一个压缩空气供应配置为驱动向脱盐工厂(40)供应盐水的供应泵(29)。另一压缩空气供应可以从压缩机(14)中抽出，以驱动淡水泵(38)将淡水从脱盐工厂(40)输送到电解槽(49)。另一压缩空气供应可以从压缩机(14)中抽出，以驱动氢气压缩机(57)压缩由电解槽(49)产生的氢气用于储存或运输。另一压缩空气供应可以从压缩机(14)中抽出，以驱动启动泵(36a)来启动初级液体回路(1)的液体的循环。

在诸如发电、泵送、压缩之类的过程和脱盐工厂(40)已经提取热量之后，从回路(1)中获取来自初级液体回路(1)的残余热能。初级液体回路(1)中的残余温度足以作为热源供给冷却器(203)以产生低成本冷却。

系统(103b)可以配置为与系统附近的服务建筑物(202)的区域冷却系统(64)集成。通过这种方式，系统(103b)可以配置为由来自初级液体回路(1)的废热冷却办公空间或私人住宅(207)，从而进一步冷却初级液体回路(1)的液体并传播热虹吸效应。

由来自初级液体回路(1)的废热能或排出的热能供给的系统(103b)的进一步优势使维持热虹吸效应所需的大多数冷却水可用于产生作为区域冷却热能出售的形式的收益。冷却回路(204)中的处于7℃的水的一部分被引导以冷却初级液体回路(1)。通过减少海水冷却流动需求并增加来自涡轮机(10、10a)的能量产生，由于较低的排出温度，额外的冷却提高了发电的效率。

系统(103b)还可以包括一系列冷却池，例如盐水冷却池(62)和淡水冷却池(63)。尽管在脱盐之前加热盐水会提高脱盐工厂(40)的淡水生产效率，优选的是排放回还有的任何盐水都不会处于高温。

将淡水冷却池(63)合并到系统的淡水(19)回路中，从而从冷却器(203)接收温暖液体或热液体(大约70℃)并从淡水冷凝器(59)接收较冷的水(大约25℃)，以在将组合的淡水来源抽吸回初级液体回路(1)的地热井(5)中之前允许组合的淡水来源冷却至大约50℃的组合温度。

区域冷却系统(64)的合并将不会影响系统(130b)的氢气或氨气生产能力。然而，它将对蒸汽涡轮机(10、10a)的效率产生积极影响。因此，会增加来自系统(103b)的发电量，因此增加次级发电机(47a)，这又将对所产生的氢气数量产生积极影响，因为用于电解槽(49)中的电解的电力增加了。

对冷却器(203)的期望供给温度在85℃-95℃之间。这是与脱盐工厂(40)的期望供给温度进行比较，脱盐工厂(40)的期望供给温度为大约110℃，其中离开脱盐工厂的初级液体回路(1)中的废热可以然后被供给到冷却器(203)用于进一步热提取。

将盐水冷却池(62)合并到系统的盐水(16)回路，从而从脱盐工厂(40)接收温暖盐水或热盐水(大约50℃)并从盐水冷凝器(60)接收温暖盐水或热盐水(大约50℃)，以在将组合盐水来源供给回海洋或替代海水来源之前允许组合盐水来源冷却至大约35℃-40℃的组合温度。该配置将大大减少通过盐水冷凝器(60)冷却系统(103b)所需的海水量，这可以成为重要考虑因素，其中海水排放量可能限制膨胀。盐水冷却/蒸发池(62)也可以用于生产海盐，与当前的太阳能泵送以将海水和卤水输送到蒸发池相比，可大大降低成本。

冷却器(203)可以是吸收冷却器、离心冷却器或螺旋旋转冷却器。在一个实施例中，与机械压缩机相对比，冷却器(203)是使用吸收制冷周期的吸收冷却器并配置为基于来自系统(103b)的废热能运行，从而为当地建筑物(202)的HVAC系统提供冷却。HVAC一词通常是指加热、通风和冷却系统。术语“吸收”冷却器是指冷却器通过从第一流体吸收热量并将热量传递到第二流体来提供冷却效果的能力。

吸收冷却器(203)需要高温能量来源，例如来自初级液体回路(1)的加热液体(4)，以使用蒸发、吸收、和再生来驱动吸收冷却周期。在蒸发器中使用初级液体回路(1)的热量使冷却器(203)中的氨气制冷剂沸腾以形成氨气蒸气。将氨气蒸气引入吸收器中的吸收剂(例如水)，该吸收剂吸收氨气，从而形成强烈的浓缩氨气溶液。再次将浓缩的氨气溶液加热，以将氨气与吸收剂分离并形成流向冷凝器的纯高压氨气蒸气。在冷凝器中，抽吸热氨气蒸气通过管道，以加热管道的外表面。将这些管道放置为与冷的空气或水接触(从管道的热表面提取热量)，并将氨气蒸气转换回液体以返回蒸发器。

在冷却器(203)中使用氨气制冷剂提供了与替代物相比的许多好处，因为它的臭氧损耗值为零。它也是一种自然存在的物质，具有<1的全球变暖潜势。通常，使用吸收冷却器为初级液体回路(1)提供冷却的成本在商业上不可行；但是，系统(103b)提供了从至少50％的冷却能力中产生收益的机会，这使得将残余系统热量作为能量产生冷却变得可行。冷却器(203)所需的氨气也可以来源于系统(103b)氨气输出。

冷却器(203)是冷却回路(204)的组成部分，冷却回路(204)在淡水冷凝器(59)、冷却器(203)、和建筑物(202)或私人住宅(207)的蒸发器之间循环传热介质(例如水)。参考图16时，冷却回路(204)是闭路回路，从而将传热介质包含在其中。当传热介质流到吸收冷却器(203)时，传热介质从大约20℃冷却到大约7℃。

然后，冷却传热介质流到与区域冷却系统(64)连接的建筑物(202)或私人住宅(207)的空调系统的一个或多个蒸发器。冷却传热介质流动通过建筑物的蒸发器，其中(通常由风扇)将来自建筑物(202、207)的温暖空气或热空气抽吸穿过蒸发器，从而冷却空气并将传递介质的温度提高回到大约13℃。

温暖的传热介质然后流到淡水冷凝器(59)，其中热量在淡水回路和冷却回路(204)之间交换，从而将淡水的温度从大约45℃降低至大约25℃并将传热介质的温度从大约13℃升高到大约20℃。

输入热能(热量)以由初级液体回路(1)为冷却器(203)提供动力，加热液体(4)以大约85℃-95℃流入冷却器(203)，从冷却器(203)中输出的加热液体(4)降低到大约70℃的温度。

冷却回路(204)的传热介质还可以包含腐蚀抑制剂，以减少对冷却回路(204)的管道的腐蚀。

技术人员将理解的是，在不脱离以下权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例进行多种变化和修改。因此，目前的实施例在各个方面都被视为说明保护范围，而非限制性的。

除非另外限定，否则本文中使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域中的普通技术人员通常所理解的含义相同。尽管在本发明的实践或测试中也可以使用与本文中所述的那些相似或等同的任何方法和材料，但本文中描述了有限数量的示例性方法和材料。

如本文中和所附权利要求中所用的，词语的单数形式包括复数，除非上下文中另有明确规定。因此，提及冠词“a”、“an”和“the”通常包括相应术语的复数。例如，提及“a(冠词)特征”包括多个此类“特征”。在“X和/或Y”的上下文中使用的术语“和/或”应解释为“X”、或“Y”、或“X和Y”。

可以理解的是，如果本文中提到任何先前技术出版物，则该提及并不构成承认该出版物在澳大利亚或任何其他国家中构成本领域公知常识的一部分。

在所附的权利要求书以及本发明的先前描述中，除了上下文要求之外，否则由于明确的语言或是必要的暗示，“包括”一词或是其诸如“包含”、“包括有”等变形均作不排他性的含义使用，即，其用作表示存在所陈述的特征，而并不排除存在或加入本发明各种实施例中的其他特征。

附图标记

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Claims (56)

1.一种地热氢气生产系统，包括：

初级液体回路，其将液体循环到地热井中并从所述地热井的井口返回加热液体，所述初级液体回路通过脱盐工厂；

第一涡轮机，其由所述加热液体驱动以产生第一机械输出；以及

第二涡轮机，其由所述加热液体驱动以产生第二机械输出，

其中所述第一机械输出驱动发电机，所述发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，所述第二机械输出驱动压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，

其中所述第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到所述脱盐工厂，所述第二压缩空气供应驱动启动泵以启动所述初级液体回路，所述第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从所述脱盐工厂输送到所述电解槽。

2.根据权利要求1所述的地热氢气生产系统，其中所述加热液体的一部分会在分离器中经受压力变化，以产生蒸气来驱动所述第一涡轮机和所述第二涡轮机。

3.根据权利要求1或2所述的地热氢气生产系统，其中来自第一分离器的残余加热液体与来自所述初级回路中的所述第一涡轮机液体的排放物混合，以升高所述初级液体回路中所述液体的温度。

4.根据权利要求3所述的地热氢气生产系统，其中来自第二分离器的残余加热液体与来自所述初级回路中的第二涡轮机的排放物混合，以升高所述初级液体回路中所述液体的温度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的地热氢气生产系统，还包括第二压缩机，其由来自所述第二涡轮机的第二机械输出驱动并配置为压缩由所述电解槽产生的氢气。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的地热氢气生产系统，还包括：

第三涡轮机，其由所述初级液体回路的所述加热液体驱动以产生第三机械输出，

其中所述第三机械输出配置为驱动第二压缩机以压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

7.一种地热氢气生产系统，包括初级液体回路和次级液体回路，所述初级液体回路将液体循环到地热井中并从所述地热井的井口返回加热液体，所述初级回路的所述加热液体供给到热交换器以加热所述次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，

所述次级回路的所述加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，并且所述初级回路的所述加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出，

其中所述第一机械输出驱动发电机，所述发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，所述第二机械输出驱动压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，

其中所述第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到所述脱盐工厂，所述第二压缩空气供应驱动启动泵以启动所述初级液体回路，所述第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从所述脱盐工厂输送到所述电解槽。

8.根据权利要求7所述的地热氢气生产系统，还包括第二压缩机，其由来自所述第二涡轮机的所述第二机械输出驱动并配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

9.根据权利要求7所述的地热氢气生产系统，还包括：

第三涡轮机，其由以下任一项驱动：

(i)所述初级液体回路的所述加热液体；或

(ii)所述次级回路的所述加热工作介质，

以产生第三机械输出，

其中所述第三机械输出配置为驱动第二压缩机以压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

10.一种地热氢气生产系统，包括初级液体回路和次级液体回路，所述初级液体回路将液体循环到地热井中并从所述地热井的井口返回加热液体，所述加热液体通过所述初级液体回路中的脱盐工厂，

所述初级回路的所述加热液体供给到热交换器以加热所述次级回路的工作介质，其中所述次级回路的加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，所述初级回路的所述加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；

其中所述第一机械输出驱动发电机，所述发电机配置为向通过淡水电解产生氢气的电解槽供电，所述第二机械输出驱动压缩机以提供第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，

其中所述第一压缩空气供应驱动供应泵将盐水供应到所述脱盐工厂，所述第二压缩空气供应驱动启动泵以启动所述初级液体回路，所述第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从所述脱盐工厂输送到所述电解槽。

11.根据权利要求10所述的地热氢气生产系统，还包括第二压缩机，其由来自所述第二涡轮机的所述第二机械输出驱动并配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

12.根据权利要求10所述的地热氢气生产系统，还包括：

第三涡轮机，其由以下任一项驱动：

(i)所述初级液体回路的所述加热液体；或

(ii)所述次级回路的所述加热工作介质，

以产生第三机械输出，

其中所述第三机械输出配置为驱动第二压缩机以压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

13.根据权利要求7-12中的任一项所述的系统，其中所述次级回路包括以下至少一个：

淡水冷凝器，其配置为从所述次级回路吸取热量以在来自所述脱盐工厂的所述淡水输送到所述电解槽之前加热来自所述脱盐工厂的所述淡水；以及

盐水冷凝器，其配置为从所述次级回路吸取热量以在将所述盐水供应到所述脱盐工厂之前加热所述盐水。

14.根据权利要求7-13中的任一项所述的系统，其中所述次级回路中的所述工作介质是具有低沸点的二元流体。

15.根据权利要求7-14中的任一项所述的系统，其中所述工作介质为正戊烷。

16.根据权利要求7-15中的任一项所述的系统，其中所述压缩机还提供第四压缩空气供应，以驱动循环泵来循环所述次级回路中的所述工作介质。

17.根据权利要求1-16中的任一项所述的系统，其中来自所述脱盐工厂的所述淡水被直接泵送到所述电解槽中以分离为氧气和氢气。

18.根据权利要求1-17中的任一项所述的地热氢气生产系统，其中所述氢气是从所述电解槽收集的并以大约1000巴的液态形式储存。

19.根据权利要求1-18中的任一项所述的系统，其中所述初级液体回路的所述加热液体或所述次级回路的加热工作介质中之一通过所述脱盐工厂，从而转移热能以蒸馏所述脱盐工厂中的所述盐水来生产淡水和卤水。

20.根据权利要求1-19中的任一项所述的系统，其中所述压缩机还提供了第五压缩空气供应以驱动卤水泵泵送来自所述脱盐工厂的卤水。

21.根据权利要求1-20中的任一项所述的系统，其中所述压缩机还提供了第六压缩空气供应以驱动废水泵泵送来自所述电解槽的废水。

22.根据权利要求1-21中的任一项所述的地热氢气生产系统，其中所述供应泵、所述启动泵、所述淡水泵、循环泵、卤水泵和所述废水泵中的至少一个配置为由所述发电机提供动力。

23.根据权利要求1-22中的任一项所述的系统，其中所述第一涡轮机、所述第二涡轮机和所述第三涡轮机中的至少一个可以被替换为以下项之一：螺杆膨胀机、ORC涡轮机、发动机、蒸汽机或水车。

24.根据权利要求1-23中的任一项所述的系统，其中所述供应泵配置为将盐水从盐水源驱动到所述脱盐工厂的第一腔室。

25.根据权利要求24所述的系统，其中将所述盐水喷入所述脱盐工厂的所述第一腔室中，所述第一腔室由通过脱盐装置的所述次级回路中的加热工作介质或所述初级液体回路的所述加热液体加热。

26.根据权利要求1-25中的任一项所述的系统，其中储存罐包括在所述第一空气供应、所述第二空气供应和所述第三空气供应中的至少一个中以储存压缩空气。

27.根据权利要求1-26中的任一项所述的系统，其中空气真空泵连接在所述压缩机的上游，使得所述空气真空泵由吸入所述压缩机的环境空气流动驱动。

28.根据权利要求27所述的系统，其中真空管线连接到真空泵，以从所述脱盐工厂的至少一个腔室抽出空气。

29.根据权利要求1-28中的任一项所述的系统，其中一旦由所述启动泵启动，所述初级液体回路的循环就通过热虹吸效应来维持，从而以第一温度将液体吸入所述地热井中，同时以大于所述第一温度的第二温度迫使所述加热液体从所述井口排出。

30.根据权利要求29所述的系统，其中一旦所述初级液体回路的所述液体主要在热虹吸效应下循环，则所述初级液体回路的所述启动泵就会停用。

31.根据权利要求1-30中的任一项所述的系统，其中所述初级液体回路中的液体是水或蒸馏水。

32.一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：

将液体供给到地热井中并从所述地热井的井口抽出加热液体以形成初级液体回路，所述初级液体将热能输送到脱盐工厂；

将来自所述初级液体回路的加热液体传送到第一涡轮机和第二涡轮机，以分别产生第一机械输出和第二机械输出；

将所述第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将所述第二机械输出引导到压缩机以产生第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，

其中所述第一压缩空气供应驱动配置为将盐水驱动到所述脱盐工厂的供应泵，所述第二压缩空气供应驱动启动泵以启动所述初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从所述脱盐工厂输送到所述电解槽以分解为氢气和氧气。

33.根据权利要求32所述的方法，还包括以下步骤：

由所述第二涡轮机的所述第二机械输出驱动第二压缩机，所述第二压缩机配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

34.根据权利要求32所述的方法，还包括以下步骤：

将来自所述初级液体回路的所述加热液体传送到第三涡轮机以产生第三机械输出，以及

将所述第三机械输出引导到第二压缩机，所述第二压缩机配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

35.根据权利要求32-34中任一项所述的方法，包括以下步骤：在分离器中将所述初级液体回路中的所述液体的一部分转换成蒸汽，以驱动所述第一涡轮机和所述第二涡轮机中的至少一个。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括以下步骤：将来自所述分离器的残余加热液体与来自所述第一涡轮机的排放物组合，以提高所述初级液体回路中所述液体的温度。

37.一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：

将液体供给到地热井中并从所述地热井的井口抽出加热液体，初级回路的所述加热液体供给到热交换器以加热次级回路的工作介质，加热工作介质通过脱盐工厂，

其中所述次级回路的所述加热工作介质驱动第一涡轮机和第二涡轮机以分别产生第一机械输出和第二机械输出；

将所述第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将所述第二机械输出引导到第一压缩机以产生第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，

其中所述第一压缩空气供应配置为驱动供应泵以将盐水驱动到所述脱盐工厂，所述第二压缩空气供应驱动启动泵以启动所述初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从所述脱盐工厂输送到所述电解槽以分解为氢气和氧气。

38.根据权利要求37所述的方法，还包括以下步骤：

由所述第二涡轮机的所述第二机械输出驱动第二压缩机，所述第二压缩机配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

39.根据权利要求37所述的方法，还包括以下步骤：

将来自所述初级液体回路的所述加热液体传送到第三涡轮机以产生第三机械输出，以及

将所述第三机械输出引导到第二压缩机，所述第二压缩机配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

40.一种生成和供给淡水到电解槽以生产氢气的方法，由地热能供电，包括以下步骤：

将液体供给到地热井中并从所述地热井的井口抽出加热液体以形成初级液体回路，初级液体将热能传送到脱盐工厂，

将初级回路的所述加热液体供给到热交换器，以加热次级回路的工作介质，其中分别地，所述次级回路的所述加热工作介质驱动第一涡轮机产生第一机械输出，所述初级液体回路的所述加热液体驱动第二涡轮机产生第二机械输出；

将所述第一机械输出引导到发电机以向配置为通过淡水的电解产生氢气的电解槽供电，并将所述第二机械输出引导到压缩机以产生第一压缩空气供应、第二压缩空气供应和第三压缩空气供应中的至少一个，

其中所述第一压缩空气供应配置为驱动供应泵以将盐水驱动到所述脱盐工厂，所述第二压缩空气供应驱动启动泵以启动所述初级液体回路，第三压缩空气供应驱动淡水泵以将淡水从所述脱盐工厂泵送到所述电解槽以分解为氢气和氧气。

41.根据权利要求40的方法，还包括以下步骤：

由所述第二涡轮机的所述第二机械输出驱动第二压缩机，所述第二压缩机配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

42.根据权利要求40所述的方法，还包括以下步骤：

将来自所述初级液体回路的所述加热液体传送到第三涡轮机以产生第三机械输出，以及

将所述第三机械输出引导到第二压缩机，所述第二压缩机配置为压缩由所述电解槽产生的所述氢气。

43.根据权利要求37-42中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

通过淡水冷凝器从所述次级回路的所述工作介质中吸收热量，以在将淡水输送到所述电解槽之前加热来自脱盐工厂的所述淡水。

44.根据权利要求37-43中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

通过盐水冷凝器从所述次级回路的工作介质中吸收热量，以在将盐水输送到所述脱盐工厂之前所述加热盐水。

45.根据权利要求37-44中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：由来自所述第一压缩机的第四压缩空气供应驱动循环泵以循环所述次级回路中的所述工作介质。

46.根据权利要求37-45中的任一项所述的方法，其中所述次级回路中的所述工作介质是具有低沸点的二元流体。

47.根据权利要求46所述的方法，其中所述工作介质为正戊烷。

48.根据权利要求32-47中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：由来自所述第一压缩机的第五压缩空气供应驱动卤水泵以泵送来自所述脱盐工厂的卤水。

49.根据权利要求32-48中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：由来自所述第一压缩机的第六压缩空气供应驱动废水泵以泵送来自所述电解槽的废水。

50.根据权利要求32-49中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：由发电机为所述供应泵、所述启动泵、所述淡水泵、循环泵、卤水泵和所述废水泵中的至少一个提供动力。

51.根据权利要求32-50中的任一项所述的方法，其中所述初级液体回路中的液体是水或蒸馏水。

52.根据权利要求32-51中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：经由真空泵通过压缩机抽吸环境空气。

53.根据权利要求52所述的方法，还包括以下步骤：从所述脱盐工厂的至少一个腔室中抽出空气以由所述真空泵通过真空管线在其中创建真空。

54.根据权利要求32-53中的任一项所述的方法，其中所述第一涡轮机、所述第二涡轮机和所述第三涡轮机中的至少一个可以被被替换为螺杆膨胀机、蒸汽机、ORC涡轮机、发动机、蒸汽机或水车。

55.根据权利要求32-53中的任一项所述的方法，其中所述第一涡轮机、所述第二涡轮机和所述第三涡轮机中的至少一个包括一系列涡轮机。

56.根据权利要求32-55中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：使用所述供应泵从盐水来源泵送盐水，以将盐水输送到所述脱盐工厂，其中所述供应泵是空气泵。