JP2020518767A - 地中熱源および関連するプラントからの、非従来的な電力の生産のためのシステム - Google Patents

Abstract

井戸の深部に組み込まれたヒートポンプで構成された地熱井で構成されているという事実に基づいて、一般的な蒸気での、地層内の非従来的な地中熱源からの電気エネルギー生産システムに関する。前述したヒートポンプは拡張同心パイプシステムで構成されており、大径ダクトは熱交換および輸送流体の熱の上昇に使用され、小径ダクトは外部からその最下部までの輸送流体用に動作する。【選択図】図２

Description

本発明は、電気エネルギーを生産するための、および／または民生用の、低エンタルピーおよび中エンタルピーの地熱エネルギー変換システムに関する。更に、本発明は、そのようなシステムを使用するプラントに関する。

前世紀の最初の数年から、産業タイプのプラントにおける地熱電気エネルギーの利用が知られており、このようなプラントは、特に下層土のエネルギー利用が１９１３年に遡るイタリアや、国内の食料自給率のために非常に重要性を有するアイスランドで非常に広く普及している。

イタリアは未だに、低エンタルピー（ｔ＜９０℃）、中エンタルピー（ｔ＜１５０℃）、高エンタルピー（ｔ＞１５０℃）の３つのグループに分けられる、かなりの地熱埋蔵量を維持している。一般的な液体による低エンタルピーおよび中エンタルピーの埋蔵量の大部分は、未だに活用されていない。一般的な蒸気による高エンタルピーの埋蔵量の大部分は活用されているが、新しいプラントを実現するためには未だに多くの機会が存在している。

地熱エネルギーの利用は、有用な場所の正確な識別に関する地質学的困難に加えて、地熱エネルギー利用プラントの立ち上げを複雑にするいくつかの技術的および管理上の問題を示している。

特に、最初の障害は、技術的な問題によって、即ち、井戸の掘削によって、従って通過する地層の評価によって引き起こされる。更に、掘削に関連する汚染問題は明らかであり、多くの場合、地中熱源が大気を汚染する、特に硫黄で構成される発泡性物質の放出に繋がるという点で、更に深刻化している。流体の再注入により生じる、対象地域での微小地震の事象が観察されてきた。最後に、環境政治は固有の重要性を正しく想定しており、実際に、新しいシステムを作成する際には、働く生態系への影響を考慮する必要がある。

最後に、これまでに知られているシステムは水ポンプステーションであり、結果的に、近年、環境に優しい開発に不可欠な要素と考えられている正しい水管理の方針も、戦略的およびコミュニケーションの観点、並びに経済的な観点から非常に重要である。これらの問題は、生産システム全体の構成に大きな問題を引き起こし、実現時間と投資および運営コストとの両方に大きな影響を及ぼす。

有害成分の廃棄に関連する問題の低減に適した、熱交換システムを予見する地熱エネルギー回収手順が、特許文献１から知られている。

しかしながら、説明および図面から、システムが完全に閉鎖しているわけではなく、それ故に前述の問題のいずれも完全には解決できないことが理解されよう。

米国特許第３９５７１０８号明細書

実際、本発明の問題は、これらの不便を克服し、更に、同時に、エネルギー効率システムを向上させ、従ってより性能を向上させるために、合理的な価格でシステムを実現することができるシステムを提案することである。

特に、本発明の目的は、還元井を含まず、有害な流体を表面に流さず、腐食または噴出物の堆積を最小限に抑え、環境への影響を制限することができるシステムと、景観上の露出された構造を低減する車両と、プラント付近の生態系の変化との実現にある。

このような目的は、本発明に従って、かつ非常に簡潔に述べられている閉回路システムを通じて達成される。この閉回路システムは次のフェーズを含む。
−上流および下流によって表面プラントに接続されている熱交換器を下層土の井戸内に導入する
−完全に蒸発させるために、キャリア流体（一般には脱塩水）を前述の熱交換器に注入する
−前述の熱交換器から蒸気および／または温水が漏出し、下流によって表面に誘導される
−電気エネルギーの生産のために、または地域にとって関心のある民生用に生成された蒸気および／または温水を利用する

熱抽出システムと共に、タービンによる電力生産システムが従来的に予測されており、次の全蒸気凝縮および下層土への地下還元のための冷却システムが組み込まれている。

従って、本発明の更なる目的は、環境の景観への影響を低減しつつ、高い効率を得るために、単純化された地熱電気エネルギー生産システムの実現にある。

上記の目的は、次のフェーズが提供されることを特徴とする、電気エネルギー生産システムのための、地層からの地熱抽出システムを介して取得される。
−液相において特定の隔離されたダクトを通して洗浄された、キャリア流体を地熱井に投入する
−キャリア流体と地層内の流体との間の前述した地熱井内に配置された密閉された部屋内で熱交換する
−電気エネルギー生産プラントまで、過熱蒸気の形態でキャリア流体を上昇させる

本発明の更なる特徴および利点は、添付図面の説明を限定するものではなく、単なる例として提供される、２つの好適な実施形態に関する以下の詳細な説明からより良く理解されよう。

先行技術の熱水泉の断面図である。 本発明の第１の実施形態による、一般的な蒸気タンクに適したシステムの地熱井の断面概略図である。 表面にて予見される、本発明によるシステムの概略図である。 本発明の第２の実施形態による、一般的な液体タンクに適したシステムの地熱井の断面概略図である。 特定の熱交換領域の図である。

通常、図１で説明されているように、地熱井は、直径が減少するにつれて長さが長くなる、一連の同心のセメントパイプで構成されている。内部に高温の流体を収容する地熱タンク付近の掘削エリアは、通常、井戸の最大深さまでパイプ保護なしで保持されている。表面の源泉の閉鎖は、安全性の高いバルブシステム（井戸の頭部）によって実現される。このようにして実現された井戸は、電気エネルギー生成プラントの場合、電気ターボ発電のグループに供給するのに十分な量の地熱蒸気水を生成することができ、コスト削減を保証する。ターボ発電プラントの出口に近づくと、タンクの圧力を可能な限り一定に維持し、排気時間を制限するために、蒸気は完全に凝縮され、液体は専用の井戸を介して地熱タンクに還元される。

同様に、高温での一般的な液体抽出のための井戸の場合、ここで説明する解決策は、病院、学校、または様々なオフィス等の重要なユーティリティの給湯サービスに供給することができ、節約を保証する。

その代わりに、本発明によるこの発見は、システムの複合体に対する更なる利点を獲得するために、内部井戸構造を変更することを予見している。

図２によく示されている第１の好ましい実施形態では、実際、システムは、地熱井への熱交換器の導入を予見している。これは、井戸のほぼ底部まで延在する、主に２本の同心パイプを有するシステムで構成されており、２本の同心パイプのうち小径の内部のパイプは下部が開口しており、かつステーションから発生した液相の間にキャリア流体を井戸に誘導するのに適している一方、外部のパイプは下部が閉口しており、かつ蒸気相の間にキャリア流体を表面に出すのに適している。

地熱交換器は、地表に誘導され、かつ、一般的に純水または他の適切な化合物で構成された、キャリア流体の過熱に続いて内部に生成される蒸気のみを低電力（図示せず）で電気エネルギー生成プラントに運搬するために、下層土および周囲環境から完全に隔離されるように構成されている。実際、地層に接触する必要はなく、従って、例えば構成された硫黄からの、井戸に収容される地層液の漏出は不可能である。

次に、保護の対象となる、地熱電気エネルギー生産システムの動作を明確に理解するために、本発明による電気エネルギー生産の起源となるプロセスをここで指摘する。

液相のキャリア流体は、底部が閉口した、より大きなパイプで構成される熱交換器の底部まで、小径のダクトを通してポンプで輸送され、地熱タンク内の高温の流体により生成された高熱源による熱交換が行われる。加熱することにより、一般に塩分を含まない水または任意の他の成分からなるキャリア流体が蒸発し、結果的に輸送管に沿って戻り、地熱井に収容される流体との交換に起因する上昇中に過熱される。井戸の頭部に到達すると、蒸気は適切なパイプを介して、一般に発電機と結合した蒸気タービンで構成される電気エネルギー生産システムに運搬される。

熱エネルギーを伝達した後、蒸気は完全に凝縮されて井戸の底部に落下し、そこで再びサイクルを開始し、実際に蒸気の自然なつながりの循環流を作り出す。

キャリア流体の漏出は非常に少ないため、プロセスは非常に低い水消費量で実行される。

熱交換器の外側において、熱交換器と掘削された地層との間の隙間には、一般的に飽和に近い蒸気で構成された地層流体の凝縮が生じる。流体が凝縮する限り、流体は井戸の底部まで落下し、そこで地層内で再吸収される。

熱交換器の外側の地層流体とその内側のキャリア流体との間の熱交換は、外側ではタンク内に存在する蒸気凝縮によって保証され、かつ、内側ではキャリア流体の蒸発によって保証される。これらのメカニズムは両者とも、高い熱効率によって特徴付けられる。

地熱タンクに対応して水位の維持を更に保証するために、エアロックが予見されるように、大径パイプを包囲する周囲をセメント接合された場所によって、前述したセメント接合された場所と井戸との間に井戸の保護を予見することができる。エアロックを介して、電気エネルギー生成プラント内のプロセスから生じる蒸気が再び送られる。

放出された蒸気は落下中に凝縮し、再びタンク内の水の量のバランスを取る。

適切な条件での熱交換を可能にするために、形成パイプとしても知られている中央パイプは、表面の熱キャリア流体から完全に隔離されている。最高の性能を得るには、形成パイプの直径が１４０ｍｍであることが好ましい。

表面には、図３に概略的に示されるように、低電力の蒸気タービンによって作動する、従来型（ラジアルタービン）またはより革新的な型（Ｔｕｒｂｏｄｅｎタービン）の電気エネルギー生成プラントが存在する。当業者にとって明白であるように、前述したシステムは革新的な特徴を有しておらず、本明細書では、関連のない技術的詳細を追加することにより説明を重くしないよう、更に説明しないものとする。

しかしながら、ここで説明するシステムは、地熱井で抽出される熱交換器とその周辺領域との間の相乗効果を定義するために構成されている。

システムを所望の特性にて機能させるには、交換器内の３つの異なるゾーンを識別する必要がある。
−限られた長さの下部ゾーン：小径パイプを通して最下部に注入されたキャリア流体を過熱して、沸騰温度に到達させる
−より長い中間ゾーン：キャリア流体を完全に蒸発させる
−上部ゾーン：キャリア流体をパイプ内で過熱する

同時に、完全に閉鎖したシステムを定義するために、外部で地層流体の凝縮が発生してもよい。この目的のために、井戸の最も外側の壁と最大のパイプ直径の外側の壁との間に形成されるチャンバが予測される。

上記の説明に照らして、地熱タンク内の交換メカニズムは、自然の慣習では凝縮タイプであることは明らかである。
−生成された井戸の電力は、地層流体の特定のエンタルピーに強く依存している。井戸の生産性を制限する要素は、実際には非常に効率的な熱交換ではなく、キャリア流体のヘッドウェル伝導システムに代表される。この場合、熱交換係数は通常、相変化の状態に対応する故に、非常に高い値が想定される（パイプの外側の地層流体の凝縮と内側のキャリア流体の気化）。１，２ＫＷ／ＭＱ℃の熱交換係数値が想定され、２００ｍ^２の交換面、５００ｍｍの７インチパイプ（１７，７８ｃｍ）とほぼ同等、５０℃の温度差、熱ポテンシャルは中圧で１２Ｍｗの値になり、これにより約３Ｍｗの電力を生成することができる。
−図４および図５に示す第２の実施形態では、セメント保護の最後の配管は地熱タンク内の深部で検査され、上部ゾーンに便利に掘削される。井戸の最下部が配管されていないセクションで終了する（穴を開口する）。

特に、内部の井戸構造は、２本のライン上の異なる要素で構成される複雑な熱交換システムを予見している。キャリア流体ラインは、熱交換器および表面へのキャリア配管で構成されており、このラインに伸縮式の機械要素が接続されることで、パッカーと呼ばれる固定機械要素の長さを変更することができる。

液体形成ラインは主に油圧ポンプで構成され、これにより液体を上部ゾーンのウィンドウを介して源泉に送り込み、キャリア流体の輸送ダクトを通してより深いゾーンに再注入する。

熱エネルギーを交換する流体：地層流体およびキャリア流体は、常に井戸内で完全に分離されている。熱エネルギー輸送プロセスは、次のように発生する。
−小径パイプを介して過熱された、液相で井戸に注入されたキャリア流体（純水）が、内部交換パイプ壁から熱を吸収し、蒸発する
−蒸気は輸送ダクトを通して井戸の頭部まで上昇し、井戸から流出して熱電ステーションに運搬され、そこから過熱液体の形態に戻る
−ポンプを介して、地層流体（液体）がリザーバの上部ゾーンから回収され、高速で交換外部壁に押し付けられて、熱を付与してから冷却される
−地層流体（液体）は下部ゾーンに戻り、冷却することによって生成された液体密度の違いにより、通常の循環流が形成される；排出された流体はリザーバの最下部に留まる傾向があり、ここで岩と接触すると急速に加熱される

結果的に、井戸内の２つのゾーンは、保護パイプの壁に固定された２つのラインに共通の、パッカーと呼ばれる機械要素から油圧によって分離される。

隔離された形成パイプと保護およびハウジングの外側のセメント接合されたステーションとの間の隙間には、下部が開口している更なるダクトが挿入され、その上にキャリア流体の供給ポンプが地熱タンクに向けて取り付けられている。

正しい動作を可能にし、振動や（最も深刻な場合には）衝突を避けるために、２本のパイプは、２本のパイプの相互位置の保持要素によって安定した位置に保持され、これらは並行でなければならない。

この場合、動作の説明からよりよく理解できるように、交換器の外側の熱交換は、電動ポンプの助けにより生成された井戸内の地層循環水によって保証される。

前述の説明から、本明細書で説明した地熱の非従来型システムは、地熱層に存在する流体（汚染された蒸気水または高温の液体水）と、高純度の水または他の成分で構成されるキャリア流体との間の井戸で発生する高効率の熱交換を提供することが明らかである。

従って、このような方法で記述された本発明は、過度の冷水注入および／または井戸の内部との完全な接触による井戸内部の温度の低下に対するエンタルピーリークを低減することによって、汚染された地層流体の抽出に関連する景観への影響と汚染効果との両方に関して、環境への影響を大幅に削減した、経済的に入手可能なシステムを達成するという、所定の目的を満たしていることが理解されよう。

実際、導入されたシステムは、地層内に存在する流体による高効率の熱交換のおかげで、汚染された地層流体の抽出ではなく、キャリア流体デバイスを介した熱抽出のみを意味することが理解されよう。更に、実現され説明されたプロセスから、汚染された流体は環境に投入されず、存在する地層に再注入される再流動はない。

よく理解され得るように、第２の実施形態で説明した解決策は、経済的で持続可能な利点と共に、低エンタルピーの既存の油田、住宅および／または工業地域の近くでも加熱および／または冷却のために使用可能である故に、特に用途が多いように見える。

前述した説明から、これらの技術的解決策は掘削される井戸の数を低減し、表面のプラントを簡素化し、大気中に排出される流体の高価な浄化システムを排除し、一般的に環境汚染リスクを最小限に抑えることができることが理解されよう。

それ故、地熱エネルギー生産の使用および管理のための非従来型プラントの所定の目的も達成され、限られた環境および景観への影響を高いエネルギー効率値と組み合わせることができる。

特に、革新的な閉回路システムが得られ、これを通して、高温の地熱が、井戸に挿入された熱交換パイプによって、井戸の深部のキャリア流体に伝達されることにより、地熱層に存在する流体と、高純度の水で構成されるキャリア流体との間にて高効率での熱交換が可能となる。

キャリア流体は液体の形態で井戸に注入され、便利に過熱されて、井戸から完全に隔離されたパイプ内で蒸発され、続いて、十分に高い圧力と地層より僅かに低い温度で井戸から流出されて、発電プラント（ターボジェネレータ）に供給される。発電プラントの出口では、井戸で生成された全ての蒸気が再び凝縮され、漏れが大幅に減少した状態で井戸にポンプで送られる。

この閉回路システムは、特定の地質条件において、良好な潜在能力と、深海ベアリングで生成された流体の再注入による元の地熱フィールドと同等の（より高くはなくとも同様の）効率とを有することができる。

しかしながら、更に、このシステムは環境の観点からも優れている。実際、地層に含まれる汚染物質は決して、どの条件下でも外部環境に分散されない。一方、超臨界流体による地下層の汚染の可能性は減少する。

最後に、最終的に、低温でのこれらの流体の再注入によって引き起こされる地層の温度流体の減少に関する問題が、深く抑制される。
続いて、
−同等の可能性を有しつつコスト削減する
−大気への有害な排出ガスまたは温室効果がない
−消耗資源が使用されない故に、環境の持続可能性が確保される

また、一般的な蒸気タンクに適した解決策は、下層土が低透過性の地層で構成されている場合にも適用することができることが証明されており、これは既知の技術システムでは活用することができない。

従って、テリトリーの開発の可能性が拡大する。

一般的な液体のタンクの場合、交換係数の予備計算は、交換長ゾーンが完全に含まれている状態（約５００パイプメートル）で３ＭＷ超の電力を生成するのに十分な量のヘッドウェル蒸気を取得できる可能性を示している。

１，０ＫＷ／ｍｑ℃の熱交換の係数値、４００ｍｑの交換面、約５００ｍのパイプ９”５／８（２４，４５ｃｍ）に相当、３３℃の媒体温度差を考慮して、熱交換の可能性は１３ＭＷになる。上記の値は慎重に選択され、かつシミュレートされており、実行計画中に、より成熟した評価により、少なくとも３０％だけより高い値が明らかになり得ると考えられる。

上記の完成モデルは、通常は天然のフラッキングに対して透過性地層に典型的な、地層内の非常に低い温度勾配（１〜５℃／１００ｍに相当）を特徴とする地熱リザーバの用途に適している。

同様に、現在説明されているシステムでは地層流体の注入は行われず、深部での熱交換のみが行われる故に、最小エンティティまたは地盤沈下イベントの地震のような、対象地域の地質システム計画への影響に関連するイベントのリスクは、大幅に低減される。

最後に、井戸が下層土から隔離されている故に、化学汚染のリスクもほぼゼロとなる。従って、大気中のＣＯ_２およびＨ_２Ｓの排出は予測されず、または生産段階でのプラントからの他の排出も予測されない。

このように、上述した解決策の注目すべき範囲が明らかになった。

しかしながら、本発明は、単なる例示的な実施形態を表す上記の特定の指示に限定されると考えるべきではなく、異なる変形が可能であることを理解されたい。

Claims (7)

1. 地熱井と、井戸の底部から表面までの流体輸送配管タイプとを含む、地中熱源からの熱抽出システムであって、前記輸送配管が、熱交換器を介して液密に接続され、前記地熱井の底部に取り付けられた上流および下流の分岐を含むことを特徴とし、前記熱交換器は拡張同心パイプシステムで構成されており、最大直径のダクトは熱交換および高温のキャリア流体の上昇に使用される一方で、小径ダクトは外部からその最下部までのキャリア流体の供給のために必要とされる、システム。
2. 前記熱交換器と地熱層との間に、凝縮相の排除を可能にするのに適したエアロックが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記同心パイプが、前記井戸のほぼ底部まで延在していることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 大径パイプを包囲する、周囲をセメント接合された場所によって、前記場所と前記パイプとの間で排気蒸気が通過することが予見されるエアロックとして、保護されていることを特徴とする、請求項１および３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 小径パイプが表面の前記キャリア流体から完全に隔離されていることを特徴とする、請求項１および４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記隔離されているパイプの直径が約１４０ｍｍであることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
7. キャリア流体ダクトの配管システムが、前記井戸および電気エネルギー生成プラントと同じプラントとの間の異なる液相および蒸気で予見されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。