JP2020525692A - 地下地熱貯留層から水素を生産する方法 - Google Patents

Abstract

地熱貯留層は、水素を発生させるためのガス化及び水−ガス移行反応を誘導する。水素又はプロトンは、生産井において水素専用又はプロトン専用メンブレンを使用することによって地表に生産される。貯留層からのエネルギーは、プロトン又は水素として地表に生産される。

Description

本技術分野は、地下地熱システムからの水素の生産に関する。

地熱エネルギーは、地球のような惑星内に至る所にあり、高温水若しくは高温ガス又は両方、及び副生成物を地表に生産することによって熱エネルギーを獲得する多くの技術が使われている。

一部の地域で、水素及び炭素酸化物が、地熱生産の副生成物として潜在的に商業的であり得る量で生産されている。これらのガスは、火山性ガスの成分である。水素及び二酸化炭素とスチームとの混合物は、燃料として又は化学品製造のための原材料として使用され得る天然合成ガスと考えられ得る。

水−ガス移行反応は、既存の掘削及び坑井仕上げ技術によって到達できる多くの地下地熱システムにおける温度及び圧力で起こる。

水−ガス移行反応は、二酸化炭素、スチーム、銅、ニッケル、鉄、又は他の触媒材料の存在下に比較的低温で起こり得る。これらのシステムから生産された水素は、天然水素化物などの深層岩源からだけでなく、水−ガス移行反応を通しての水からもあり得る。地下地熱システムの水素の生産は、より多くの水素がシステムから生産されるように水−ガス移行反応を推し進める傾向がある。

溶融塩ガス化は、既存の掘削及び坑井仕上げ技術によって到達できる多くの地下地熱システムにおける温度及び圧力で行われ得る。

閉塞系内の水−ガス移行反応、溶融塩ガス化、及び他の水分解プロセスは、地熱システムに含まれる流体内で水素濃度並びに潜在的に他の構成成分、例えば、炭素酸化物及び酸素の増加をもたらす。

遊離酸素は、貯留層内の化学酸化反応によって結合され、酸化物として隔離又は生産されるようになり得る。

スチーム−メタンリフォーミングなどの地表プロセスは、パラジウム合金又はポリマーメンブレンなどの水素選択的メンブレンを使用して、高温流体の混合物から水素の非常に純粋なストリームを分離してきた。

グラファン、白金、及びスルホン化テトラフルオロエチレンベースフルオロポリマー−コポリマー（例えば、ナフィオン）は、別にプロトン選択的メンブレンとして知られた、公知の水素燃料電池プロトン担体の例である。

水素はしばしば、深層地下地熱システムに見出される。地熱貯留層に存在するか、又は水−ガス移行、溶融塩ガス化、若しくは他のプロセスによって地熱貯留槽内の水から放出された水素は、選択的に捕獲され、パラジウム合金メンブレンなどの水素フィルタを使用して地表に生産され得る。

化学薬品原材料として使用され、又は電力若しくは熱若しくは水を生産するために地表で燃焼され、又は電力の生産のために燃料電池デバイスで消費され得る水素に対する大きくて、増大する世界的な要求がある。

水素は、水素燃焼の副生成物としての純水とともに、大部分のエネルギー用途で油及びガスの代替品であり得る。したがって、水素の使用は、完全に炭素及び二酸化炭素フリーであり、全く清浄な燃料と考えられ得る。

広い観点では、本明細書に記載される方法及びシステムは、水が先在するか、又は導入され得る惑星内の十分に高温な地下層を意義のある水素源として見ている。

貯留層内で放出された酸素は、地表での使用のために分離して生産され、又は隔離し若しくは生産されてもよいエネルギー及び／又は酸化物生産品の生成のために、天然に存在するか若しくは注入された水素化物から水素を生成するために使用され得る。水−ガス移行反応を介して、酸素はしばしば、炭素酸化物の形態で炭素と結合される。地下地熱システムでは、酸素はまた、ケイ素又は鉄の酸化物の形態でも結合され得る。

選択されたメンブレンが水素選択的の代わりにプロトン選択的である場合、全体システムは、地表で電気（電力）及び水を生産するために使用され得る大きな天然燃料電池と見なされ得る。地球内で生成された過剰陰電荷は、絶縁ワイヤを通してさらなる電力のために獲得され、又は天然に存在する電気伝導性流体及び／又は臨界流体によって分散され得る。

注入及び生産井は、限定されないが、水平な、垂直な、偏位した、多層の、Ｊ形の、らせん状の、又は蠕虫状の立体配置を含めて、あらゆる可能な立体配置を取り得る。１つの坑井が全ての機能のために使用され得るか、又は貯留層内の１つ又は複数の坑井が特化した機能性のために使用され得る。例えば、１つの抗井が注入機として使用され得る一方で、別のものが水素又は電力の生産機として使用され得る。

炭素、炭素酸化物、炭素水素化物、銅、又は他の触媒は、天然に存在し得るか、又は貯留層中に注入され得る。炭素酸化物隔離は、これらの貯留層で起こり得る。水素化物及び他の化学薬品は、このプロセスに由来する水素を使用してこれらの地熱システム内で接触分解及び／又は水素化され得る。酸素捕捉化学薬品が、注入されてもよく、結果として得られた酸化物は、地表に生産されても、貯留層に隔離されたままでもよい。

本出願の実施形態の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかになる。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態の簡単な概略図であり； 図１Ｂは、本発明の第２の実施形態の簡単な概略図であり； 図１Ｃは、本発明の例示的な実施形態の簡単な概略図であり； 図２は、本発明の別の例示的な実施形態の簡単な概略図であり；及び 図３は、本発明のさらなる例示的な実施形態の簡単な概略図である。

以下の説明の全体を通して、具体的な詳細が、より完全な理解を当業者に与えるために示される。しかしながら、周知の要素は、本開示を不必要に分かりにくくすることを避けるために詳細に示され又は説明されなかったことがあり得る。本技術の実施例の以下の説明は、排他的であるか、又は本発明をいずれかの例示的な実施形態の正確な形態に限定することは意図されない。したがって、本説明及び図面は、制限的よりはむしろ、例証的な意味で考えられるべきである。

既存の地熱エネルギープロセスは、天然に存在する火山性のガス、流体及び固体、また水などの注入物質の一部を地表に生産する。地球は、地面におけるこれらの流体を地球の内部又は火山性の熱又は発熱化学反応若しくは熱発生性放射性崩壊からの熱伝達によって加温する。

本明細書の全体を通して、多数の用語及び表現が、それらの通常の意味にしたがって使用される。以下に提供されるのは、以下に続く説明で使用される一部の追加的な用語及び表現の定義である。

本明細書で使用される場合、「貯留層」は、流体を含有する多孔質マトリックスを含む地表下形成を指す。流体は、水、スチーム（水蒸気）、ガス（例えば、酸素、水素、炭素酸化物、メタン、窒素など）からなり得る。

用語「その場で(in situ)」は、地表下の貯留層の環境を指す。

詳細は、例証の目的のために提供され、及び本方法は、本明細書で検討される特徴の一部又は全てがなしで実施され得る。明確にするために、本方法に関連がある分野で公知である技術資料は、詳細には検討されない。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、十分に高温の貯留層から水素を生産するための、本明細書に説明される方法及びシステムの実行を例示する図である。これらの方法において、水素は、地層水から放出され、地表への生産のために水素選択的メンブレンを通して生産される。浮揚性水素のカラムは、メンブレンの一側から他側への連続濃度勾配を確保する。図１Ｃに示される見取り図は、熱伝達流体が地表で坑井の中に注入されるループ井まで延在され得、その流体は、同じ抗井を使用して地表に生産される。

図２は、プロトンがプロトン選択的メンブレンによって捕捉され、グラファン若しくは白金又はナフィオンコンポジットにおいて地表に向けて通される１つの実行を例示する図である。

図３は、坑井内の断面で見た、水素−分離性コンポジットメンブレンの例を示す。他のガスの構成成分（ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ）は、そのメンブレンによって排除され得る。

Ａ．高温貯留層の発見又は作製
貯留層は、ガス化及び水−ガス移行反応が貯留層内で起こるのに十分な周囲自然温度を有す場合があり得る。代わりに、貯留層は、限定されないが、注入を介しての発熱反応、電磁放射、ホトン若しくは音響刺激、スチーム注入、核反応、電気抵抗、又はマグマ移動を含めて、他の手段により加熱されてもよい。

Ｂ．ガス化及び水−ガス移行
貯留層が十分な温度である場合、ガス化及び水−ガス移行反応は、水素の連続発生とともに起こる。ガス構成成分は、貯留層内に集まる。

Ｃ．水素の生産
水素は、生産井内で水素専用メンブレンを通して貯留層から生産される。このようにして、硫化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、スチーム、及び他のガス構成成分は、貯留層内に残存する。水素は貯留層から除去されるので、これにより、反応は促進されて、より多くの水素を発生する。

プロトンは、生産井内でプロトン専用メンブレンを通して貯留層から生産されてもよい。このようにして、全ての他の物質は貯留層内に残存し得る一方で、プロトンは、プロトン伝達媒体、例えば、限定されないが、グラファンコンポジットを使用して地表まで通される。

生産井に置かれるべき水素専用輸送メンブレンとして、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）又はニオブ（Ｎｂ）から構築された、金属製メンブレンは、機械的には強固であるが、温度に関して最適性能の範囲は限定される。これらのメンブレンは、溶解度−拡散機構によって働き、水素はそのメンブレン材料に溶解し、他側に拡散し、ここでそれは解放され；この機構は、圧力の平方根に比例して水素フラックス（単位面積当たり、モル輸送速度）をもたらす。例証すると、水素に対するバナジウム及びチタンは、高温で降下し、及びまた、効率的な水素分離を防止する金属酸化物層を形成し、それらを無酸素性のより低い温度設定に対して理想的にする。Ｐｄベースメンブレンは、それらの水素透過性が温度の増加とともに上昇するので有利である。しかしながら、Ｐｄメンブレンは、しばしば地球内に存在する硫化水素（Ｈ２Ｓ）及び一酸化炭素（ＣＯ）によって毒される。これには、Ｐｄ−銅合金を使用することによって対抗し得る。コスト削減のために、Ｐｄ−Ｃｕ合金並びにＶ、Ｔａ、及びＮｂからなる多層メンブレンを構成することができる。

セラミックメンブレン、ステンレス鋼メンブレン、インコネルメンブレンは、Ｈ２Ｓ及びＣＯに不活性であり、非常に高温で使用され得る。

一部の実施形態では、水素メンブレンは、水素に対して高度に選択であり（特に水素ガスが地表での燃料電池からの発電のために使用されることになる場合）、水素に対して高度に透過性であり、８００℃以上の加熱に耐えることができ、Ｈ２Ｓ及びＣＯガスに耐えることができ、メンブレンを抗井に置くという課題を前提として機械的に強固であり、及び／又は長い水平抗井などの適切に構成された坑井に適合し得る幾何形状で製造されることができるように構成される。一部の実施形態では、メンブレンは、そのコンポジットメンブレンの外側表面上の炭素及び他の固体の蓄積を消費する部分酸化段階にも耐え得る。

一部の実施形態では、本明細書に記載されるシステム及び方法によって生産される水素は、電力を発生するために燃料電池で使用され、電力を発生するために使用され得るスチームを生産するために燃焼され、又は化学薬品原材料として使用され得る。

本明細書を、本明細書で検討される方法及び処理の特定の実施形態及び実施例について説明してきたが、修正が、添付の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく実施形態になされ得ることは当業者に明らかである。

文脈が明らかに別に要求しない限り、本説明及び特許請求の範囲の全体を通して：
・「含む(comprise)」、「含むこと(comprising)」、などは、排他的又は網羅的な意味とは対照的に、包含的な意味で；すなわち、「包含するが、限定されない」の意味で解釈されるべきである。

・「連結された(connected)」、「結合された(coupled)」、又はそれらの任意の変形は、２以上の要素間の、直接又は間接のいずれかの、任意の「連結(connection)」又は「結合(coupling)」を意味し；要素間の結合又は連結は、物理的、論理的、又はそれらの組合せであり得る。

・「ここで(herein)」、「上で(above)」、「下で(below)」、及び同様の趣旨の語は、本明細書を説明するために使用される場合、本明細書のいずれかの特定の部分にではなく、全体として本明細書に言及するものとする。

・２つ以上の項目のリストに関連して、「又は(or)」は、その語の以下の全ての解釈：リスト中の項目のいずれか、リスト中の項目の全て、及びリスト中の項目のいずれかの組合せに及ぶ。

・単数形「１つの(a)」、「１つの(an)」及び「その(the)」はまた、任意の適切な複数形の意味を包含する。

本明細書及びいずれかの添付の特許請求項（存在する場合）で使用される方向を示す語、例えば、「垂直の(vertical)」、「横の(transverse)」、「水平の(horizontal)」、「上方に(upward)」、「下方に(downward)」、「前方に(forward)」、「後方に(backward)」、「内部へ(inward)」、「外部へ(outward)」、「垂直の(vertical)」、「横の(transverse)」、「左の(left)」、「右の(right)」、「前の(front)」、「後ろの(back)」、「最上部の(top)」、「底部の(bottom)」、「下で(below)」、「上で(above)」、「下に(under)」、などは、説明及び例証される装置の具体的な方向付けに依存する。本明細書で説明される主題は、様々な代わりの方向付けを想定してもよい。したがって、これらの方向の用語は、厳格には定義されず、狭義に解釈されるべきでない。

構成要素（例えば、回路、モジュール、アセンブリ、デバイスなど）が本明細書に言及される場合、別に示されない限り、その構成要素（「手段」への言及を含む）への言及は、その構成要素の等価物として、本発明の例証される例示的な実施形態で機能を果たす開示された構造に構造的に等価でない構成要素を含めて、説明される構成要素の機能を果たす（すなわち、機能的に等価である）任意の構成要素を含むと解釈されるべきである。

方法及び装置の具体例を、例証のために本明細書で説明してきた。これらは単なる例にすぎない。本明細書で提供される技術は、上に記載された例示的な文脈以外の文脈に適用され得る。多くの変更、修正、追加、省略、及び並び方が、本発明の実施内で可能である。本発明は、特徴、要素及び／又は行為を同等の特徴、要素及び／又は行為と置き換えること；異なる実施形態からの特徴、要素及び／又は行為を混合及び調和させること；本明細書に説明されるとおりの実施形態からの特徴、要素及び／又は行為を他の技術の特徴、要素及び／又は行為と組み合わせること、及び／又は説明された実施形態からの特徴、要素及び／又は行為を組み合わせることを省略すること、によって得られる変形を含めて、説明実施形態に対する当業者に明らかである変形を含む。

前述は、単に本発明の原理を例証したものと見なされる。本特許請求項の範囲は、前述に示された例示的な実施形態によって限定されるべきではなく、全体として本明細書と一致する最も広い解釈が与えられるべきである。

Claims (32)

1. 水素を回収するために貯留層を処理する方法であって、
   十分に高温の貯留層中に掘削して、前記貯留層内のガス化又は水に生じる水−ガス移行反応の少なくとも１つを容易化することと；
   前記貯留層内の坑井及び、前記坑井と少なくとも１種の水素又はプロトン透過性メンブレンとを介して前記貯留層から生産ガス又はプロトンフローを生産する少なくとも１種の水素又はプロトン透過性メンブレンを提供することとを含み、前記少なくとも１種の水素又はプロトン透過性メンブレンは、前記貯留層から前記生産ストリームへの水素又はプロトンの通過を許容し、及び前記生産ストリームからの水素又はプロトン以外のガス生産品をフィルタにかけるように適合されている、方法。
2. 酸素が、酸化反応によって前記貯留層内で捕捉されてもよい、請求項１に記載の方法。
3. 前記坑井に少なくとも近い前記貯留層が、自然に十分な温度であっても、発熱反応、熱核プロセス若しくは崩壊、ホトン若しくは音響刺激、高温材料注入、電磁放射、又は電気抵抗を介して十分な温度に誘導されてもよい、請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも１種の水素又はプロトン透過性メンブレンが、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、白金（Ｐｔ）、若しくはグラフェン、又はスルホン化テトラフルオロエチレンベースフルオロポリマー−コポリマーベース材料の少なくとも１種を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも１種の水素−透過性メンブレンが、パラジウム銅合金若しくはスルホン化テトラフルオロエチレンベースフルオロポリマー−コポリマー又は全ての組合せを含む、請求項１又は４に記載の方法。
6. 少なくとも１種の水素−透過性メンブレンが、セラミック層及び／又は透過性若しくは非透過性構造金属若しくは金属合金層及び／又はポリマーメンブレンを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記少なくとも１種の水素−透過性メンブレンの少なくとも一部が、前記貯留層の内に又は隣接してある前記坑井の少なくとも一部に位置付けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記少なくとも１種の水素−透過性メンブレンが、前記生産井の下方に位置付けられる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 多孔質材料が、前記坑井の内又は下流の前記少なくとも１種の水素−透過性メンブレンの内、後、又は前に位置付けられる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記生産ガスストリームの大部分が、水素からなる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 地熱貯留層からの水素回収のためのシステムであって、必要に応じて前記貯留層をさらに加熱するための装置；前記貯留層から流体を生産するように位置付けられた坑井；前記貯留層から前記生産ストリームへの水素の通過を許容し及び前記生産ストリームからの水素以外の生産品をフィルタにかけるように適合された水素又はプロトン透過性メンブレンを含む、システム。
12. 必要に応じて前記貯留層の加熱を開始するための装置が、発熱反応のための化学薬品の注入、電磁石、無線周波数アンテナ、又は高温材料注入機の少なくとも１つを含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記生産水素が、燃料電気化学電池デバイスで消費されるか、又は化学薬品を水素化するために使用されるか、又は電力発生のためにスチームを発生させるか、若しくは熱伝達用途のためにスチームを発生させるために燃焼される、請求項１１又は１２に記載のシステム。
14. 水素又はプロトンからなる物質を、前記物質を含有する地表下貯留層から回収するための方法であって、
    前記貯留層の範囲内に生産井を提供するステップと；
    前記生産井に少なくとも１種の透過性メンブレンであって、前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、それを通して前記物質の通過を許容する一方で、他の貯留層内容物の通過を防止するように構成されている、少なくとも１種の透過性メンブレンを提供するステップと；
    前記物質が前記生産井の中に入るようにさせるステップと；
    前記物質が前記少なくとも１種の透過性メンブレンを通過するようにさせるステップと；
    前記物質を地表に生産するステップと
    を含む、方法。
15. 地表に前記物質を生産する前記ステップが、前記物質が前記少なくとも１種の透過性メンブレンを通過するようにさせる前記ステップの後にある、請求項１４に記載の方法。
16. 前記物質が前記生産井の中に入るようにさせる前記ステップが、前記物質が前記少なくとも１種の透過性メンブレンを通過するようにさせる前記ステップの後にある、請求項１４に記載の方法。
17. 前記物質が、水素である、請求項１４に記載の方法。
18. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、水素−透過性メンブレンである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記物質が、プロトンである、請求項１４に記載の方法。
20. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、プロトン透過性メンブレンである、請求項１９に記載の方法。
21. 前記生産井が、生産坑井を含む、請求項１４に記載の方法。
22. 前記物質が前記生産井の中に入るようにさせる前記ステップが、前記物質が前記生産坑井の中に入るようにさせることを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記生産坑井が、前記少なくとも１種の透過性メンブレンで覆われている、請求項２２に記載の方法。
24. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、パラジウム、バナジウム、タンタル、ニオブ、白金、グラフェム、スルホン化テトラフルオロエチレンベースフルオロポリマー−コポリマー、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項１４に記載の方法。
25. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、パラジウム合金、銅合金、スルホン化テトラフルオロエチレンベースフルオロポリマー−コポリマー、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項１４に記載の方法。
26. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、セラミック層、透過性構造金属、非透過性構造金属、金属合金層、ポリマーメンブレン、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される構成要素を含む、請求項１４に記載の方法。
27. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンの少なくとも一部が、前記貯留層の内に又は隣接してある前記坑井の少なくとも一部に位置付けられる、請求項１４に記載の方法。
28. 前記少なくとも１種の透過性メンブレンが、前記坑井のアップホール部分で位置付けられる、請求項１４に記載の方法。
29. 前記坑井内の、又は前記坑井のアップホール部分でどこかに位置付けられた前記少なくとも１種の透過性メンブレンの内、後、又は前に位置付けられた多孔質材料を提供するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
30. 前記貯留層内の物質の形成を引き起こす温度に前記貯留層を加熱するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
31. 前記貯留層を加熱する前記ステップが、発熱反応を引き起こす化学薬品の注入、電磁石の利用、無線周波数アンテナの利用、高温材料注入機の利用、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択されるステップを含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記生産水素が、燃料電気化学電池デバイスで消費され、水素化反応のために使用され、電力発生のためにスチームを発生させるために燃料され、又は熱伝達用途のためにスチームを発生させるために燃焼される、請求項１７に記載の方法。