JP2023536644A - 複数の作動流体を使用する地熱エネルギー生成 - Google Patents

Abstract

方法は、ターゲットの地中区域にある閉ループ地熱井に第１の熱伝達作動流体を流すステップと、地熱井において、地熱井の地表入口から下向き孔の位置に第２の作動流体を流すステップとを含む。第２の作動流体は第１の熱伝達作動流体の上流にある。第２の作動流体の流体密度は第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い。この方法は、地熱井の中で第２の作動流体を循環させることにより、第２の作動流体で第１の熱伝達作動流体を地熱井の地表出口の方へ押し進めるステップも含む。この方法は、地熱井の地表出口において受け取られた移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップも含む。

Description

本開示は、エネルギー貯蔵および生産に関し、詳細には、地熱エネルギー回収システムおよび方法を使用するエネルギー貯蔵および生産に関する。

地熱エネルギーは、地球の自然熱を使用する熱エネルギーの一形態である。地熱エネルギーは、再生可能エネルギー源であり、日光または風に依存して発電する太陽光や風力のように断続的なエネルギー源ではない。制御可能な再生可能エネルギー源およびエネルギー貯蔵の解決策の必要性が増している。制御可能で確実な再生可能エネルギーを生成するための方法および機器が常に求められている。

本開示の実装形態は、ターゲットの地中区域内にある閉ループ地熱井において、地熱井の地表入口から地熱井の下向き孔の位置まで第１の熱伝達作動流体を流すステップを含む方法を含む。この方法は、地熱井において、地熱井の地表入口から下向き孔の位置まで第２の作動流体を流すステップも含む。第２の作動流体は第１の熱伝達作動流体の上流にある。第２の作動流体の流体密度は第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い。この方法は、地熱井の中で第２の作動流体を循環させることにより、第２の作動流体で第１の熱伝達作動流体を地熱井の地表出口の方へ押し進めるステップも含む。この方法は、地熱井の地表出口において受け取られた移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップも含む。

いくつかの実装形態では、地熱井は、（ｉ）地表入口からターゲットの地中区域まで延在する地表入口坑井と、（ｉｉ）地表出口からターゲットの地中区域まで延在する地表出口坑井と、（ｉｉｉ）地表入口坑井に流体結合され、地表入口坑井と地表出口坑井とを相互接続する、偏位した坑井とを含む。偏位した坑井はターゲットの地中区域にあり、第２の作動流体を循環させるステップは、第２の作動流体を、地表入口坑井から偏位した坑井まで流し、また偏位した坑井から地表出口坑井まで流すことにより、第１の熱伝達作動流体を地熱井の偏位した坑井から地表出口まで押し進めるステップを含む。

いくつかの実装形態では、第２の作動流体の熱膨張係数は第１の流体の熱膨張係数以上である。そのような場合、第２の作動流体を流すステップは、第２の作動流体が、地熱井内のターゲットの地中区域から熱を吸収するとき、膨張して、地熱井の地表出口における第１の熱伝達作動流体の流量を増加させるように、地熱井に第２の作動流体を流すステップを含む。

いくつかの実装形態では、第１の熱伝達作動流体は水であり、第２の作動流体の熱膨張係数は水の熱膨張係数よりも１桁以上大きい。

いくつかの実装形態では、地熱井がさらに含む複数の偏位した坑井が、地表入口坑井の共通の下向き孔端に流体連結され、ここから地表出口坑井の共通の下向き孔端まで延在する。複数の偏位した坑井の各々がターゲットの地中区域内に存在し、それぞれが、（ｉ）地表入口坑井の下向き孔端から下向き孔接合点まで延在する第１の水平方向の坑井と、（ｉｉ）地表出口坑井の下向き孔端から下向き孔接合点まで延在する第２の水平方向の坑井とを含む。そのような場合、第２の作動流体を循環させるステップは、第２の作動流体を、地表入口から下向き孔接合点へ、下向き孔接合点から地表出口へと流すステップを含む。

いくつかの実装形態では、それぞれの水平方向の第１の坑井はそれぞれの水平方向の第２の坑井の上にある。下向き孔接合点が、地表入口坑井の下向き孔端よりも深くなるように、水平方向の第１および第２の坑井の各々が傾斜している。

いくつかの実装形態では、この方法は、第２の作動流体を流した後に、閉ループ地熱井において、第２の作動流体の上流にある第３の熱伝達作動流体を、地表入口から下向き孔の位置まで流すステップも含む。第３の熱伝達作動流体の流体密度は第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い。この方法は、第３の熱伝達作動流体を閉ループ地熱井の中で循環させるステップであって、第３の熱伝達作動流体が、第２および第１の熱伝達作動流体を閉ループ地熱井の地表出口の方へ押し進める、ステップも含む。

いくつかの実装形態では、閉ループ地熱井は、地熱井の中で第１および第２の作動流体を循環させるように構成されたポンプに電気的に結合されたコントローラを含む。コントローラは、断続的なエネルギー源に関連した送電網のエネルギー需要を基にポンプの流量を変化させることにより、第１および第２の作動流体の流量を、第２の作動流体を地熱井の下向き孔の位置から地熱井の地表まで持ち上げるステップを含む充填サイクルと、地熱井の中で第２の作動流体を循環させて、第１の熱伝達作動流体を地熱井の地表出口の方へ押し進め、第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップを含む放出サイクルとの間で、切り換えるように構成されている。

いくつかの実装形態では、ポンプは断続的なエネルギー源によって給電され、コントローラは、断続的なエネルギー源が送電網のエネルギー需要を満たすかまたは超過するとき充填サイクルを開始するように構成される。そのような場合、コントローラは、放出サイクル中に、収集されたエネルギーを送電網に供給して、断続的なエネルギー源のエネルギー出力を補足するように構成される。コントローラは、断続的なエネルギー源が送電網のエネルギー需要を満たさないとき放出サイクルを開始するようにも構成される。

いくつかの実装形態では、断続的なエネルギー源のエネルギー出力を補足するステップは、断続的なエネルギー源とともに、送電網向けの制御可能なエネルギー出力を生成するステップを含む。

いくつかの実装形態では、第２の作動流体を循環させるステップは、第１および第２の作動流体を用いてターゲットの地中区域から熱エネルギーを回収するステップを含み、エネルギーを収集するステップは、移動性の第１の熱伝達作動流体から、液圧エネルギー、熱エネルギー、または力学的エネルギーのうち少なくとも１つを生成するステップを含む。

いくつかの実装形態では、この方法は、閉ループ地熱井の地表において、第１の熱伝達作動流体または第２の作動流体のうち少なくとも１つの温度、滞留時間、または流体密度のうち少なくとも１つを変化させて、地表出口における第１の熱伝達作動流体の指定されたエネルギー出力を変化させるステップも含む。

いくつかの実装形態では、滞留時間を変化させるステップは、放出サイクル中は、地熱井に関連した断続的なエネルギー源の低エネルギー出力に基づき、第２の作動流体が第１の熱伝達作動流体を地表出口まで押し進め、充填サイクル中は、地熱井に関連した断続的なエネルギー源の高エネルギー出力に基づき、断続的なエネルギー源から給電されたポンプによって第２の作動流体を地表出口まで持ち上げるように、第２の作動流体が地表入口から地表出口まで流れる時間を変化させて、第２の作動流体の流量を変化させるステップを含む。

いくつかの実装形態では、第１の熱伝達作動流体と第２の作動流体とは混ざることなく、または地熱井の第１の熱伝達作動流体と第２の作動流体との間に混ざらないピルが配設されている。

いくつかの実装形態では、閉ループ地熱井は、Ｌ字形の坑井、Ｕ字形の坑井、または単一坑井のうち少なくとも１つを含む。Ｌ字形の坑井は、面方向の入口坑井および面方向の出口坑井を含む。面方向の入口坑井は、地中区域内に配設された第１の外端部および第１の内端部を含み、面方向の出口坑井は第２の外端部および第２の内端部を含む。第２の内端部は、地熱井の共通の下向き孔接合部において第１の内端部に流体連結され、側面図において、２つの面方向の坑井がＬ字形の坑井を形成する。Ｕ字形の坑井は、地表入口から地中区域まで延在する地表入口坑井と、地表入口坑井から間隔をおいて配置され、地表出口から地中区域まで延在する地表出口坑井と、地表入口と地表出口との間に延在してこれらを流体連結する相互接続坑井とを含み、側面図において、地表入口坑井と地表出口坑井とでＵ字形の坑井を形成する。単一坑井内に坑井ストリングが配設されており、単一坑井の壁とともに環状部を画定する。環状部が地表入口を画定し、坑井ストリングが地表出口を画定する。いくつかの実装形態では、地熱井はＬ字形の坑井であり、第１および第２の外端部は裸坑であり、また、それぞれの外端部とそれぞれの内端部との間のそれぞれの坑井の区域は裸坑であり、それぞれの坑井とそれぞれの坑井を囲む地中区域の地面との間に、実質的に不浸透性の境界面を含む。

いくつかの実装形態では、この方法は、地熱井に第１の熱伝達作動流体を流す前に、閉ループ地熱井に密封材を流すステップも含む。この方法は、地熱井の中で密封材を循環させることにより、地熱井と地熱井を囲む地中区域の地面との間に熱伝導性の境界面を形成するステップも含む。熱伝導性の境界面は流体に対して実質的に不浸透性であるが、坑井の少なくとも一部は裸坑である。第２の作動流体を循環させるステップは、第２の作動流体を、熱伝導性の境界面を介してターゲットの地中区域に晒すことによって熱的に充填するステップを含む。

いくつかの実装形態では、このシステムは、ターゲットの地中区域または別の地中区域にある複数の閉ループ地熱井も含む。複数の閉ループ地熱井の各々が、それぞれの地表入口およびそれぞれの地表出口を含む。この方法は、各地熱井において、それぞれの第１の熱伝達作動流体を、各地熱井の地表入口から各地熱井の下向き孔の位置まで流すステップも含む。この方法は、各地熱井において、それぞれの第２の作動流体を、各地熱井の地表入口から各地熱井の下向き孔の位置まで流すステップも含む。それぞれの第２の作動流体はそれぞれの第１の熱伝達作動流体の上流にある。それぞれの第２の作動流体の流体密度はそれぞれの第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い。この方法は、各地熱井の中でそれぞれの第２の作動流体を循環させることにより、それぞれの第２の作動流体によってそれぞれの第１の熱伝達作動流体を地熱井の地表出口の方へ押し進めるステップも含む。この方法は、各地熱井の地表出口において受け取られたそれぞれの移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップも含む。

いくつかの実装形態では、エネルギーを収集するステップは、それぞれの移動性の第１の熱伝達作動流体の各々から、選択的に調整可能なエネルギーを収集するステップを含む。

いくつかの実装形態では、エネルギーを収集するステップは、それぞれの移動性の第１の熱伝達作動流体の各々から収集されたエネルギーを合併させて所定の量のエネルギー出力を形成するステップを含む。

いくつかの実装形態では、複数の地熱井のうち１つの、それぞれの第２の作動流体を循環させるステップは、複数の地熱井のうち別のものの収集されたエネルギーで給電されるポンプを用いて、それぞれの地熱井の中でそれぞれの第２の作動流体を循環させるステップを含む。

本開示の実装形態は、送電網からの不規則な電力供給および電力需要を正規化する方法を含む。この方法は、請求項１の方法によって収集されたエネルギーから電気エネルギーを生成して、送電網において需要が増加する期間と一致する所定の時間にこの生成した電気エネルギーを送電網に供給するステップを含む。

本開示の実装形態が含む地熱システムは、閉ループ地熱井、第１の熱伝達作動流体、および第２の作動流体を含む。閉ループ地熱井は、地表入口坑井と、地表出口坑井と、地表入口坑井および地表出口坑井に流体連結されてこれらを相互接続する相互接続坑井とを含む。相互接続坑井はターゲット地中地熱区域にある。第１の熱伝達作動流体は地熱井の中にあり、地熱井の中で循環するように構成される。第２の作動流体は、地熱井の中で地表入口坑井から地表出口坑井まで循環するように構成される。第２の作動流体は、第１の熱伝達作動流体の上流にあり、流体密度は第１の熱伝達作動流体のものよりも高い。第２の作動流体を循環させることは、第２の作動流体で第１の熱伝達作動流体を地表出口坑井の地表出口の方へ押し進め、地表出口において移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集することを含む。

本開示の実装形態が含む電力生産システムは、送電網と、送電網に電気的に結合された断続的な発電源と、閉ループ地熱システムと、コントローラとを含む。閉ループ地熱システムは、送電網に電気的に結合され、地表入口および地表出口を含む地熱井を含む。地表出口に流体連結された熱交換器が、送電網に電気的に結合されている。熱交換器は、第２の作動流体の重力による位置エネルギーを第１の熱伝達作動流体の運動エネルギーに変換するために、地熱井の下向き孔において循環する第２の作動流体によって押し進められた第１の熱伝達作動流体の動きによって生成された電力を出力するように構成される。第２の作動流体の密度は、第１の熱伝達作動流体の密度よりも高い。第２の作動流体は第１の熱伝達作動流体の上流にある。コントローラは、送電網、断続的な発電源、および閉ループ地熱システムに動作可能に結合されている。コントローラは、選択された期間に関する送電網の電力需要を、断続的な発電源の出力を基に判定して、閉ループ地熱システムの充填サイクルと放出サイクルとを切り換えることにより、断続的な発電源とともに、送電網に制御可能なエネルギー出力を供給するように構成されている。

本開示の実装形態は、コントローラによって、電力分配器からエネルギー需要情報を受け取るステップを含む。この方法は、コントローラによって、エネルギー出力要求を基に閉ループ地熱井の弁またはポンプのうち少なくとも１つを制御して、第２の作動流体を閉ループ地熱井の下向き孔方向に流すことにより、第１の熱伝達作動流体をエネルギー変換施設の方へ押し進めて、この施設を通すステップも含む。この方法は、コントローラによって、エネルギー変換施設を、閉ループ地熱井の地表出口において受け取られた移動性の第１の熱伝達作動流体からのエネルギーを電力分配ユニットに収集するように制御するステップも含む。

本開示の実装形態が提供するエネルギー形成方法は、地熱井を使用するステップを含む。この方法は、ループの中で循環させるための、第１の流体密度および第１の流体密度よりも高い第２の流体密度を有する流体組成を供給するステップと、第１の流体密度を有する流体と第２の流体密度を有する流体との間に静水頭差を生成するステップと、第２の流体密度を有する流体の位置エネルギーを放出することにより、第１の流体密度を有する流体に移動性を与えるステップと、移動性流体から生成されたエネルギーを収集するステップとを含む。

いくつかの実装形態では、動作中に流体の密度を動的に変化させることにより、システムの効率を向上することができる。さらに、第１の流体密度を有する流体および第２の流体密度を有する流体の流量およびボリュームならびにループにおける滞留時間は、変化され得る。密度はまた、徐放性組成を導入することによって変化され得る。

いくつかの実装形態では、収集されたエネルギーは、電気エネルギー、力学的エネルギーおよび熱エネルギーのうち少なくとも１つに変換され得、これが、断続的なエネルギー源、送電網電源および／または地熱エネルギー源を補足するために任意選択で使用される。

いくつかの実装形態では、追加のエネルギー源に対する補助として作用するとき、収集されたエネルギーから合成エネルギー出力プロファイルをもたらすために、流体の密度、流量、滞留時間、温度、ボリュームおよびこれらの組合せのうち少なくとも１つが変化されてよい。

いくつかの実装形態では、第１の流体または第２の流体が、地熱井における超臨界流体に構成される。

本開示の実装形態は重力エネルギー生産方法も含み、この方法は、入口と、出口と、閉ループに動作可能に接続されたエネルギー変換装置とを有する閉ループを用意するステップと、ループの中で循環させるための、第１の流体密度および第１の流体密度よりも高い第２の流体密度を有する流体組成を供給するステップと、第２の流体密度を有する流体を上昇させて、重力による位置エネルギーを増加させるステップと、第２の流体密度を有する流体の位置エネルギーを放出することにより、第１の流体密度を有する流体に移動性を与えるステップと、エネルギー変換装置における移動性流体の接触によってエネルギーを選択的に形成するステップとを含む。

いくつかの実装形態では、単一の流体から、第１の流体密度を有する流体および第２の流体密度を有する流体が形成され得る。いくつかの実装形態では、それぞれ異なる密度を有する少なくとも２つの流体が使用され得る。

いくつかの実装形態では、この方法は、熱的エネルギー、電気的エネルギー、力学的エネルギーおよびこれらの組合せのうち少なくとも１つによって前記重力のエネルギーを増加するステップも含む。この方法は熱生産的な地質組成において行われ、位置エネルギーが増加した流体が貯蔵され得る。

いくつかの実装形態では、選択的間接熱交換およびその組合せのために、空隙部分または坑井部分が、閉ループと選択的に流体連通する組成に含まれてよく、あるいは閉ループに隣接して配置されてよい。

いくつかの実装形態では、前記コンジットから回収された熱エネルギーを流体のうち少なくとも１つに熱伝達することにより、流体のうち少なくとも１つの、重力による位置エネルギーが増加される。流体のうち少なくとも１つに対して熱伝達すると、熱サイホンを駆動して、流体のうち少なくとも１つを地表の方へ上昇させる。

いくつかの実装形態では、この方法は、前記変換装置において、第２の流体密度を有する前記流体の、重力による位置エネルギーを、第１の流体密度を有する移動性液体の電気エネルギーに変換するステップも含む。

いくつかの実装形態では、効率向上のために、熱容量および組成からの熱エネルギー回収を強化するように、液体が調整され得る。

いくつかの実装形態では、液体の混合性または混合の恐れがある場合には、ループ内の第１の密度の液体と第２の密度の液体との間に、混合を防止するための境界面が利用されることがある。

本開示の実装形態はエネルギー形成方法も含み、この方法は、複数のループに、第１の流体密度および第１の流体密度よりも高い第２の流体密度を有する流体組成を、循環させるように供給するステップであって、それぞれのループに別々の流体組成を供給するステップと、複数のループの各ループについて、第１の流体密度を有する流体と第２の流体密度を有する液体との間に静水頭差を生成するステップと、複数のループの各ループについて、第２の流体密度を有する流体の位置エネルギーを放出することにより、第１の流体密度を有する流体に移動性を与えるステップと、ループの移動性流体から生成されたエネルギーを合併するステップとを含む。

いくつかの実装形態では、それぞれのループから生成されるエネルギーは調整可能であり得、所定の期間にわたって所定の量のエネルギー出力を合成するために選択的に合併され得る。

いくつかの実装形態では、前記ループから生成された所定の量の正味エネルギーの重ね合わせを達成するために、別々のループ内の別々の密度の流体のタイミング、流量、ボリューム、またはルーティングのうち少なくとも１つを順序付けるステップが行われ得る。

いくつかの実装形態では、ループから生成されたエネルギーのうちの特定量が、静水頭差を助長するために使用され得る。さらに、静水頭差を助長するために、ループと一体化された断続的なエネルギー源、送電網電源および／または地熱源からのエネルギーの特定量が使用され得る。

いくつかの実装形態では、ループを熱生産的な組成に配置するステップは、組成の性質に依拠して、所定の量、パターン、または形状で達成され得る。

本開示の実装形態は重力エネルギー生産方法も含み、この方法は、入口と、出口と、閉ループとともに動作可能なエネルギー変換装置とを有する閉ループを用意するステップであって、閉ループの少なくとも一部が、所定の可能な熱出力容量を有する熱生産的な組成の内部に配設されている、ステップと、ループの中で循環するように適合された、第１の流体密度を有する流体および第１の流体密度よりも高い第２の流体密度を有する流体を供給するステップと、閉ループを、熱生産的な組成に晒すことによって流体を熱的に充填するステップと、第１の流体密度を有する流体と第２の流体密度を有する流体との間に静水頭差を生成するステップと、熱的に充填された流体の位置エネルギーを放出することにより、第１の流体密度を有する流体に移動性を与えるステップと、エネルギー変換装置における移動性流体の接触によってエネルギーを形成するステップとを含む。

いくつかの実装形態では、前記ループは地熱組成である。いくつかの実装形態では、前記ループ内の液体の、順序付け、タイミング、流量、ボリューム、ルーティング、滞留時間、およびこれらの組合せの単位動作は、組成岩石のタイプ、組成岩石の特性およびループの形状寸法に少なくとも部分的に基づき得る。動作は、要求に応じた電力を生成するために、所定の可能な熱出力容量のあたりで熱出力を振動させるように調節されてよく、平均熱出力は所定の可能な熱出力容量と等しい。

いくつかの実装形態では、出力は、ベース負荷電力またはベース負荷量の倍数である制御可能な出力を生成するように制御され得る。

いくつかの実装形態では、この方法は、複数のループ構成を合併するステップと、形成されたエネルギーを共通して収集するステップも含む。

いくつかの実装形態では、この方法は、前記複数のループの各ループ内の前記液体の、順序付け、タイミング、流量、ボリューム、ルーティング、滞留時間、およびこれらの組合せのうち少なくとも１つを含む単位動作を選択するステップを含む。

いくつかの実装形態では、ループは、熱的に装填された流体を選択的な要求に応じた用途のために貯蔵する熱貯蔵所として、任意の既存の空隙、コンジット、開口、未使用の坑井に、組成に依拠して動作可能に接続され得る。

本開示の実装形態は、充填サイクルと放出サイクルとを切り換えるための電力生産切換えシステムも含み、このシステムは、既存の送電網発電源と、断続的な発電源と、流体原動機またはそれらの組合せの移動を達成するための、流体密度の差によって動作可能な静水頭差発電源であって、それぞれが選択的な補助接続のために動作可能に接続されている静水頭差発電源と、これらの発電源に動作可能に接続された制御装置であって、選択された期間にわたる電力出力要求を判定して、静水頭差発電源の充填サイクルと放出サイクルとを切り換える制御装置とのうち少なくとも１つを備える。

本開示の実装形態は、送電網からの不規則な電力供給および電力需要を正規化するための方法も含み、この方法は、請求項１の方法によって形成された電気エネルギーを供給するステップと、形成された電気エネルギーを、需要が増加する期間と一致する所定の時間において送電網に供給するステップとを含む。

本開示の実装形態は、送電網からの不規則な電力供給および電力需要を正規化するための方法も含み、この方法は、請求項９の方法によって形成された電気エネルギーを供給するステップと、形成された電気エネルギーを、需要が増加する期間と一致する所定の時間において送電網に供給するステップとを含む。

本開示の実装形態は、送電網からの不規則な電力供給および電力需要を正規化するための方法を提供することも含み、この方法は、請求項１５の方法によって形成された電気エネルギーを供給するステップと、形成された電気エネルギーを、需要が増加する期間と一致する所定の時間において送電網に供給するステップとを含む。

本明細書で説明される主題の特定の実装形態は、以下の利点のうち１つまたは複数を実現するように実施され得る。たとえば、地熱井の出力エネルギーは、需要の大きい期間中または他の暫定的異常もしくは一次的異常の期間中に、断続的なエネルギー源、送電網、または他の地熱井を補足することができる。地熱井の最適化重力貯蔵は、太陽エネルギーや風の間欠性を大幅に相殺するために使用され得る。地熱坑井のフットプリントは比較的小さくなり得、地理的な適用可能性が拡大する。本明細書で説明された方法は、何らかの修正または多くの修正なしで、既存の坑井に利用され得る。

本開示の第１の実装形態による地熱システムの概略斜視図である。 エネルギー放出サイクル中の図１の地熱システムの概略側面図である。 エネルギー充填サイクル中の図１の地熱システムの概略側面図である。 図１の地熱システムの地表流体取扱い施設の概略図である。 本開示の第２の実装形態による地熱システムの概略側面図である。 本開示の第３の実装形態による地熱システムの概略側面図である。 本開示の第４の実装形態による地熱システムの概略斜視図である。 本開示の第５の実装形態による地熱システムの概略斜視図である。 本開示の第６の実装形態による地熱システムの概略斜視図である。 本開示の第１の実装形態によるエネルギー伝達トポグラフィの概略図である。 ３つの地熱システムの時間曲線の関数としての電力のグラフである。 本開示の第７の実装形態による地熱システムの概略斜視図である。 地熱エネルギーを生成する例示の方法の流れ図である。 本開示の実装形態による例示のコントローラの図である。

本開示は、１つまたは複数の流体の流量および／または生成された流体圧力を増加させて地熱井のエネルギー出力を増加させるために、閉ループ地熱井またはコンジットにおいて複数の流体を使用することを説明するものである。ある特定の事例では、各流体が異なる密度および組成を有し得る。たとえば、地熱井に、第１の流体が導入され得、次いで、重い、第１の流体よりも密な第２の流体が導入され得て、第１の流体を坑井の外まで（たとえば地表まで）押し進める。重液の循環はエネルギー需要に基づき得る。たとえば、エネルギー需要が比較的小さい期間中に、地熱井に供給された重液がポンプによって地表まで持ち上げられ得てエネルギーが重液に貯蔵される（たとえば、ポンプのエネルギーを使用して、重液の高さを地熱井の底部に対して増加させ、したがって位置エネルギーが増加する）。エネルギー需要が比較的大きい期間中は、重液を解放して地熱井に下降させることができ、より軽い移動性流体からエネルギーを収集するために、より軽い流体を地熱井の外へ押し進める。

地熱井のエネルギー出力を増加させるかまたは貯蔵するために、本開示の地熱システムは、重液の位置エネルギーをより軽い流体に対して増加させ得る。たとえば、このシステムは、重液の密度をさらに増加させることにより、または重液を地表まで持ち上げて、より軽い流体を地熱井の下向き孔の位置まで流すことにより、重液の位置エネルギーを増加させることができる。したがって、このシステムは、２つの流体の間の「静水頭差」を増加させてエネルギーをシステムに貯蔵する。いくつかの実装形態では、静水頭差は、２つの流体の間の高さおよび密度における差を指す。

多くの国々において断続的な再生可能エネルギー源が発展することにより、エネルギー貯蔵解決策の需要が増した。場合によっては、断続的なエネルギー源によって給電される送電網システムにおけるエネルギーの連続供給を維持するために、断続的なエネルギー源が送電網のエネルギー需要を満たすことができない期間にわたって補償するための、大きいエネルギー貯蔵の解決策が望ましい。たとえば、風力タービンの場合の風のない期間または太陽パネルの場合の夜間には、エネルギーを供給するためのエネルギー貯蔵の解決策が望ましい。本開示で説明される地熱システムは、エネルギー貯蔵の解決策を提供するために、制御可能なエネルギー出力を、単独で、または断続的なエネルギー源と組み合わせて提供することができる。

図１は、閉ループ地熱井１０と、ポンプ１８、エネルギー収集施設２２、および流体取扱い施設２０を含む地表機器とを含む、地熱システム１００を示す。地熱井１０は閉ループであり、地熱井１０の中の流体が地熱井１０から離脱することは意図されておらず、流体は、地熱井１０と地表のエネルギー収集施設２２との間で連続的に循環することができることを意味する。地表機器は種々の構成で配置され得る。たとえば、ポンプ１８は、地熱井１０の入口または出口に配置され得、エネルギー収集施設２２は、地熱井１０から直接出てくる流体からエネルギーを収集するために地熱井１０の出口の近くに配置され得る。

地熱井１０はターゲット地中地熱区域「Ｚ」内に配設されるか、またはＺを通って延在する。ターゲット地中地熱区域「Ｚ」は、地熱エネルギー生産に的を絞った、地表１１の下の区域である。たとえば、そのような区域は、一般的にはその熱的特性のために選択され、たとえばその温度および熱勾配が地熱エネルギー生産に適切なものである。ターゲット地中地熱区域「Ｚ」は、熱生産的な組成または地中の層を、１つ、１つの一部、または複数含み得る。いくつかの実装形態では、地熱井１０は、ターゲット地中地熱区域にない閉ループ地熱井であり得る。

地熱井１０は地表入口２１および地表出口２４を含む。地熱井１０はまた、地表入口坑井１２と、地表出口坑井１４と、地表入口坑井１２および地表出口坑井１４に流体連結されてこれらを相互接続する相互接続坑井１６とを含む。地表入口坑井１２は、地表入口２１からターゲットの地中区域「Ｚ」まで延在する。地表出口坑井１４は、地表出口２４からターゲットの地中区域「Ｚ」まで延在する。地中区域「Ｚ」には相互接続坑井１６がある。地表坑井１２および１４は、既存の坑井（たとえばオイル生産またはガス生産のために以前に使用された坑井）または地熱の目的のために掘削された坑井であり得る。

ある特定の事例では、地熱井１０は、図１に示されるようにＵ字形の坑井であり、地表出口坑井１４と地表入口坑井１２とに間隔があってここに相互接続坑井１６が延在しており、側面図においてＵ字形の坑井を形成する。加えて、地熱井１０は、入口坑井１２を出口坑井１４に接続する第２の相互接続坑井１６’または３つ以上の相互接続坑井を有し得る。

ある特定の事例では、地表入口坑井１２および地表出口坑井１４は外被２７を有し、相互接続坑井１６は裸坑である。ある特定の事例では、相互接続坑井１６のうちいくつかまたはすべてが、ケースに入れられるかまたはライナ（図示せず）を含むことができる。相互接続坑井１６は、それぞれの接合点１３、１５において地表坑井１２、１４に接続されている。それぞれの接合点１３、１５は、垂直な地表坑井１２、１４を相互接続坑井１６に対して流体連通させる非垂直坑井の外端部に類似である。ある特定の事例では、接合点１３、１５は裸坑であり得る。

相互接続坑井１６は、水平方向の坑井、傾斜した坑井、または湾曲した坑井などの任意の方向性のプロファイル、または任意のタイプの非垂直な坑井、離れた坑井、もしくは水平方向の坑井を含み得る。たとえば、ある特定の事例では、図１に示されるように相互接続坑井１６は水平であるか、傾斜して、接合点１３、１５の一方が他方よりも下にあるか、または相互接続坑井１６の中間点が２つの接合点１３および１５よりも下にある。ある特定の事例では、相互接続坑井１６は、地中区域Ｚのくぼみを辿ることができる。相互接続坑井１６は、ホイップストック、方向性の坑底組立体、および回転式の操縦できるシステムなどの傾斜掘り機器を用いて穴をあけられ得る。

システム１００は、第１の熱伝達作動流体２８も含み、これは地熱井１０の中で循環する。システム１００は、第２の作動流体２６も含み、これは選択的に導入され得て地熱井１０の中で循環する。第２の作動流体２６の流体密度は、第１の熱伝達作動流体２８の流体密度よりも高いものであり得る。ある特定の事例では、第２の流体も、第１の伝熱流体のように、地中区域Ｚから熱エネルギーを収集するためにシステム１００において用いるように指定された伝熱流体である。第２の作動流体２６は、コンテナ、容器、ピット、または地表１１における空洞もしくは地表１１の近くの地表下の空洞に定期的に貯蔵されて、必要なとき循環され得、または地熱井１０の中で連続的に循環され得る。図１が示す第２の作動流体２６は、（たとえばその静水頭から）その位置エネルギーを第１の熱伝達作動流体２８に与えるように、第１の熱伝達作動流体２８の上流に導入される。ポンプ１８は、第２の作動流体２６を含む流体を、地中区域Ｚから地表出口坑井１４まで、さらには地表機器との間を循環させることができる。第１の熱伝達作動流体２８の上流に第２の作動流体２６を導入すると、第１の熱伝達作動流体２８を出口坑井１４の地表出口２４の方へ押し進める。地表において、施設２２は、地表出口２４において受け取られた移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集する。

ポンプ１８は、第２の作動流体２６を、地表入口２１から相互接続坑井１６へ、および相互接続坑井１６から地表出口坑井１４へと流すことによって循環させることができる。いくつかの実装形態では、ポンプ１８は、第２の作動流体２６を相互接続坑井１６から地表まで持ち上げるのみであり、第２の作動流体２６は、ポンプ１８によって移動されるのではなく、入口２１から相互接続坑井１６まで下向き孔を流れる（たとえば重力によって降下するのみである）。第２の作動流体２８は、下向き孔の位置１７まで（たとえば相互接続坑井１６まで）降下して、第１の熱伝達作動流体２８を、相互接続坑井１６から地熱井１０の地表出口２４まで押し進める。場合によっては、ポンプ１８はいかなる流体も持ち上げることなく、流体２６、２８は、相互接続坑井１６において加熱された流体による熱サイホン効果によって地熱井の中を循環することができる。

エネルギー収集施設２２は、第１の熱伝達作動流体２８からエネルギーを収集することができ、場合によっては地表１１において第２の作動流体２６からエネルギーを収集することもできる。ある特定の事例では、エネルギー収集施設２２は、流体から収集されたエネルギーまたは流体自体を貯蔵することができる。ある特定の事例では、エネルギー収集施設２２は、流体の熱エネルギーおよび／または運動エネルギーを変換して、発電するため、機械的作用を生成するため、施設または地区を暖めるため、および／または別の目的に使用することもできる。たとえば、ある特定の事例では、エネルギー収集施設２２は、収集された熱から生成される蒸気を使用する蒸気タービン発電機、ランキンサイクル、有機ランキンサイクルおよび／または収集された熱から動作する別の熱サイクル発生器、および／または別のプロセスを含み得る。ある特定の事例では、施設２２は、作動流体の熱を関連するプロセスに伝達するための作動流体を受け取るために地表出口２４に結合された熱交換器３１を含む。ある特定の事例では、施設２２は、移動する作動流体を受けて運動エネルギーを収集するために地表出口２４に結合されたエキスパンダおよび／またはインペラを含む。エキスパンダおよび／またはインペラ自体は、運動エネルギーを使用するために発電機または他のプロセスに結合される。施設２２は、濾過システム、弁、ポンプおよび他の流体取扱い機器などの他の態様も含むことができる。

第２の作動流体２６は、第１の熱伝達作動流体２８を容易に押し進めることができるように、第１の熱伝達作動流体２８に対して非混合性でよい。たとえば、作動流体は色々なタイプの流体であり得るが、ある特定の事例では、第１の熱伝達作動流体２８は水または水性であり得、第２の作動流体２６は、油性の流体（たとえばバライトを含有している油性の流体）であり得る。いくつかの実装形態では、２つの流体２６と２８とは、間の物理的スペーサ、プラグまたは仕切りなどの非混合性スラグ、ピルまたは境界面２３によって分離され得る。場合によっては、地熱井の中で流体が循環するとき、２つ以上の流体が混合するように、流体は混合性であり得る。

流体２６、２８の組成は、第２の流体２６の密度が第１の流体２８の密度よりも高くなるように選択され得る。たとえば、第１の流体２８が水であるなら、より密な第２の流体２６は、第２の流体２６の混合物密度が第１の流体２８の密度よりも高くなるように、バライト、鉄、泥、ベントナイト、または他の（キャリア流体、水に対して）密な粒子などの分散した固形微粒子または懸濁された固形微粒子を有する水を含み得る。あるいは、第２の流体２６の密度を増加させるために、塩化カルシウムまたは塩化ナトリウムなどの溶解塩を含有している水溶液が使用されてよい。別の選択肢には、１．０未満の特定の比重の油（たとえばヘキサン油、ディーゼル油、鉱油、合成の熱伝達油）を第１の流体２８として使用し、第２の流体として水を使用するものがある。固体、液体、およびガスを含む混合物の多くの組合せが選択され得、流体を選択するための技法は、バルク流体の密度を計算するかまたは測定して、第２の流体２６については、第１の流体２８よりも密度が高い流体組成を選択するステップを含む。

第２の作動流体２６は、システム１００のエネルギー出力を増加するかまたは効率を向上する種々の特徴を有することができる。たとえば、第２の作動流体２６は、第１の熱伝達作動流体２８の熱膨張係数以上の熱膨張係数を有し得る。たとえば、ある特定の事例では、第１の熱伝達作動流体２８は水または他の液体であり得、第２の作動流体２６は、水の熱膨張係数よりも１桁以上（たとえば２桁）大きい熱膨張係数を有し得る。たとえば、ある特定の事例では、第１の熱伝達作動流体２８が０．０００２５６８Ｌ／℃の熱膨張係数を有するなら、第２の作動流体２６は０．０２５６８Ｌ／℃の熱膨張係数を有し得る。加えて、この例では、第２の作動流体２６は、約２．６７ｇ／ｃｃの密度および約１２．１８ｃＰの粘度を有し得る。第２の作動流体２６は、そのような構成で地熱井１０の中を循環することができ、相互接続坑井１６においてターゲットの地中区域「Ｚ」から熱を吸収することによって膨張してボリュームが増加し、主に地表出口２４の方へ一方向に膨張することができる。第２の作動流体２６が膨張することにより、第１の熱伝達作動流体２８をさらに押し進め、地熱井１０の地表出口２４における第１の熱伝達作動流体２８の流量が増加する。第１の熱伝達作動流体２８の流量が増加すると、エネルギー収集施設２２のエネルギー出力が増加し得る。

その上、第１の熱伝達作動流体２８および第２の作動流体２６は、非圧縮性または実質的に非圧縮性であり得、これらの密度があまり変化することなく、第２の作動流体２６から第１の熱伝達作動流体２８に圧力が伝達され得る。言い換えれば、第２の作動流体２６は、第１の熱伝達作動流体２８まで降下するとき、実質的に流体２６、２８の圧縮なしで、重力による位置エネルギーを伝達することができる。場合によっては、熱伝達作動流体２６、２８の一方または両方が、相互接続坑井１６の中で超臨界に構成され得、ある特定の事例では、坑井１６において、臨界超過でない流体よりも熱力学的熱伝達効率が高くなる。ある特定の事例では、超臨界流体は、二酸化炭素（ＣＯ_２）であり得、またはＣＯ_２を含み得る。

作動流体の一方または両方が、技術的に検討された冷媒、炭化水素、アルコール、有機流体およびこれらの組合せを代替的または付加的に含み得、スケール防止剤、防食剤、および摩擦低減剤などの添加剤を付加的に有し得る。

第２の作動流体２６の密度およびボリュームは地表１１において変化され得る。たとえば、流体取扱い施設２０（または別の地表機器）は、第２の作動流体２８のボリュームもしくは密度またはその両方を増加するために、さらなる流体または添加剤を追加することができる。場合によっては、システム１００は、システム１００のエネルギー出力を増加するために、第１の熱伝達作動流体２８よりも密な、同一または異なる組成の複数の流体または流体ピルを流すことができる。たとえば、ポンプ１８または流体取扱い施設２０は、地熱井１０に第３の作動流体２５を導入することができる。第２の作動流体２６の上流に導入される作動流体２５（ある特定の事例では熱伝達作動流体）は、第２の作動流体２６と混合され得、またはこれに対して非混合性であり得る。第３の作動流体２５は下向き孔の位置１７まで流れ、第２および第１の作動流体２６、２８を地表入口２１から地熱井１０の地表出口２４の方へ押し進める。ある特定の事例では、地熱井１０に、第４、第５、およびさらなる追加の作動流体が導入され得る。

作動流体２６、２８の循環前および／または循環中に、地熱井１０に密封材を循環させて、地熱井１０の裸坑部分と地中区域「Ｚ」の周囲の地面「Ｅ」との間に密封された境界面を形成することができる。接合点１３、１５および相互接続坑井１６に境界面を形成することができる。

境界面は、たとえば、熱伝導度を改善する添加剤を伴う密封材を使用する熱伝導性の境界面であり得、流体に対して不浸透性であり得る。境界面の熱伝導度は、第２の作動流体２６の熱膨張を助長するために、熱伝導性境界面を介して第２の作動流体２６の熱的充填を可能にすることができる。境界面は、地中区域「Ｚ」の地熱井１０と周囲の地面「Ｅ」との間の流体のやり取りを密閉する（たとえば制限するかまたは全面的に防止する）ことができる。密封材は、プロパント、ベントナイトなどの密封材粒子（または他の密封材）、湿潤剤および／または他の添加剤を含み得る。湿潤剤は、作動流体の相ブロックを可能にして流体がコンジットから漏れないようにするために使用され得る。プロパントは、決定された浸透率で開かれた、相互接続坑井１６から延在するコンジットまたは割れ目を維持するために使用され得る。いくつかの実装形態では、境界面は周囲の地面「Ｅ」よりもより低い浸透率を有する。たとえば、境界面１３０は１０ｍＤ以下の浸透率を有し得る。

地熱システム１００は、送電網３８と、太陽パネル３６および風力タービン３５などの１つまたは複数のタイプの断続的な再生可能エネルギー源３７とを含む、電力生産システム１０１の一部であり得る。たとえば、地熱システム１００が含むコントローラ１９は、エネルギー収集施設２２、断続的なエネルギー源３７、および送電網３８に接続されている（たとえば動作可能かつ通信可能に接続されている）。エネルギー収集施設２２と、断続的なエネルギー源３７と、送電網３８とは、互いに電力を伝送するように電気的に相互接続され得る。たとえば、コントローラ１９は、送電網３８に電力を供給するために、送電網３８のエネルギー需要に基づいて地熱システムの充填サイクルと放出サイクルとを切り換えることができる。

いくつかの実装形態では、コントローラ１９は、１つまたは複数のプロセッサ、コンピュータ、マイクロコントローラ、またはそれらの組合せとして実施され得る。コントローラ１９は、単一または個別の電気制御パネルの一部であり得る。いくつかの実装形態では、コントローラ１９は、分散コンピュータシステムとして実施され得、一部がエネルギー収集施設２２（またはこのシステムの何らかの他の機器）に配設され、一部がこのシステムから分離された電気制御パネルに配設される。コンピュータシステムは、１つまたは複数のプロセッサと、ここで説明された動作を実行する１つまたは複数のプロセッサによって実行可能な命令を記憶しているコンピュータ可読媒体とを含み得る。いくつかの実装形態では、コントローラ１９は、処理回路、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せとして実施され得る。

図２および図３を参照して、コントローラ１９は、放出サイクル（図２に示される）と充填サイクル（図３に示される）との間で熱伝達作動流体２６、２８の流量を変化させることができる。たとえば、コントローラ１９は、地熱井１０の中で流体を循環させるために、地熱井１０のポンプ１８または開閉弁の流量を変化させることができる。図２に示されるように、放出サイクル中に、第２の作動流体２６は、地熱井１０の中で循環し、第１の熱伝達作動流体２８からエネルギーを収集するために、第１の熱伝達作動流体２８を地熱井１０の地表出口２４の方へ押し進める。図３に示されるように、充填サイクル中に、第２の作動流体２６は（場合によっては第１の熱伝達作動流体２８の一部も）、地熱井１０の下向き孔の位置１７から地表１１に持ち上げられる。

図２に示されるように、放出サイクル中に、第２の作動流体２６は、地熱井に吸い込まれるかまたは降下するように、地表配管４１または入口坑井１２においてポンプによって（または弁を開くことによって）地表入口坑井１２へとルーティングされる。たとえば、第２の作動流体２６は地表入口坑井１２の近くもしくは上に貯蔵され得、または第２の作動流体２６の地表出口２４から地表入口２１への流れを助長するために地表配管４１が傾斜され得る。いくつかの実装形態では、第２の作動流体２６は、弁を必要とすることなく地表に貯蔵される。

放出サイクル中に、地中区域「Ｚ」からの熱によって第１の作動流体２８および第２の作動流体２６の温度が上昇し、ある特定の事例では、熱サイホンを生成して、流体２６、２８を地熱井１０の相互接続坑井１６から地表出口２４まで押しやるかまたは移動性を与える。熱サイホンは運動エネルギーを増加させることができ、したがって第１の熱伝達作動流体２８のエネルギー出力を増加させ、さらに第２の作動流体２６を地表出口坑井１４に沿って持ち上げることができるので、システムは、充填サイクルにおいて、（たとえば、より重い流体を熱サイホンで上昇させることにより）熱エネルギーを重力による位置エネルギーに変換することが可能になる。熱サイホン効果は、地熱井１０を通って降下する第２の作動流体２６の重量によって補足され得る。たとえば、場合によっては、第２の作動流体２６によって第１の熱伝達作動流体２８に与えられる位置エネルギーにより、第１の熱伝達作動流体２８の流れは、第２の作動流体２６なしの熱サイホンのみによる流れよりも速くなる。

第２の作動流体２６は、地中区域「Ｚ」から熱を吸収することもでき、温度が上昇して膨張し得る。エネルギー収集施設２２は、第１の流体から（場合によっては第２の流体や他の流体から）エネルギーを収集して、移動性の第１の熱伝達作動流体から、液圧エネルギー、熱エネルギー、または力学的エネルギーのうち少なくとも１つを生成する。たとえば、第１の流体（または第２の流体）によって吸収された熱および移動する流体の運動エネルギーは、（たとえばタービンにおいて）電力を生成するため、または（たとえば熱機関において）作用を生成するために使用され得る。

図３に示されるように、充填サイクル中に、第２の作動流体２６が、ポンプ１８、または地中区域「Ｚ」の熱によって生成された熱サイホン効果によって、相互接続坑井１６から上向き孔を通って地表配管４１まで流れる。第２の作動流体２６が上向き孔を通って流れるとき、第１の熱伝達作動流体２８は、地熱井１０の下向き孔の位置１７まで流れることができる。たとえば、第１の熱伝達作動流体２８は、入口坑井１２から出口坑井１４まで届くように相互接続坑井１６に流され得る。第２の作動流体２６のすべてまたは一部は、放出サイクル中に下向き孔に流されるように、地表または地表の近くに貯蔵され得る。

図１も参照して、ある特定の事例では、コントローラ１９は、断続的なエネルギー源３７の出力（または送電網３８のエネルギー需要）を基に、送電網３８の電力需要を判定することができる。たとえば、コントローラ１９は、断続的なエネルギー源３７の出力が送電網３８の電力需要を満たさないか、または満たさなくなりそうだと判定することができる（たとえば、計画を基に、または断続的なエネルギー源から受け取った実時間情報、気象情報、もしくは他の関連情報を基に、予測する）。そのような期間は、たとえば、太陽パネル３６が発電しない夜、または風が弱くて風力タービン３５が発電しないときであり得る。コントローラ１９は、断続的なエネルギー源３７が、送電網３８の需要を満たさない、またはまもなく満たさなくなるとの判定に基づき、第２の作動流体２６を下向き孔に流して、収集施設２２における第１の熱伝達作動流体２８からの発電を開始することにより、放出サイクルを開始することができる。ある特定の事例では、コントローラ１９は、外部システム１０１から、断続的なエネルギー源３７が需要を満たさない、またはまもなく満たさなくなることを指示する信号を受け取ると、放出サイクルを開始し得る。

本明細書で使用される「実時間」という用語は、システムの処理限界、データを正確に取得するのに必要な時間、およびデータの変化率を所与として、計画的遅延なくデータを送信または処理することを指す。いくらかの実際の遅延があったとしても、一般にユーザは感知できない。

（たとえば送電網の需要減または断続的なエネルギー源３７のエネルギー出力の増加によって）送電網３８の電力需要が一旦変化すると、コントローラ１９は、第２の作動流体２６を下向き孔の位置１７から地表１１に持ち上げることにより、地熱システム１００を充填サイクルまたは充填モードに切り換えることができる。断続的なエネルギー源３７が送電網３８のエネルギー需要を満たすかまたは上回るとき、コントローラ１９は充填サイクルを開始することができる。たとえば、ポンプ１８は、断続的なエネルギー源３７に電気的に接続して給電され得る。ポンプ１８は、断続的なエネルギー源３７および／または送電網３８の電力を使用して第２の流体２８を持ち上げる。第２の作動流体２６は、このようにして、断続的なエネルギー源３７からのエネルギーを位置エネルギーの形で貯蔵することができる。したがって、コントローラ１９は、閉ループ地熱システム１００の充填サイクルと放出サイクルとを切り換えることにより、断続的な発電源３７とともに、送電網３８に制御可能なエネルギー出力を供給することができる。いくつかの実装形態では、地熱システム１００は、原子力発電所、天然ガス発電所、石炭発電所、または水力発電所などの他のエネルギー生産源と組み合わせて使用され得る。

コントローラ１９は、ポンプ１８および流体取扱い施設２０を制御するように構成されて、これらに動作可能に結合され得る。たとえば、充填サイクルを開始するステップは、コントローラ１９によって、ポンプ１８を、第２の作動流体２６を持ち上げ始めるように活性化するステップを含み得る。コントローラ１９は、ポンプ１８の速度を増減して、熱伝達作動流体２６、２８の一方または両方の流量を増減することができる。コントローラ１９は、放出サイクル中にポンプ１８を停止することができる。たとえば、コントローラ１９は、放出サイクル中にポンプ１８を停止して、収集施設２２において生成された電力を送電網３８に向け、断続的なエネルギー源３７のエネルギー出力を補足する。

加えて、コントローラ１９は、ポンプ１８または流体取扱い施設２０を制御することにより、第１の熱伝達作動流体２８または第２の作動流体２６のうち少なくとも１つの温度、地中区域「Ｚ」の内部の滞留時間、および／または流体密度のうち少なくとも１つを変化させて、第１の熱伝達作動流体２８の指定されたエネルギー出力を変化させることができる。たとえば、流体取扱い施設２０は、第２の作動流体２６に添加物を加えることによって流体密度を増加させることができ、あるいは第２の作動流体２６を加熱して粘度を低下させたり、冷却して粘度を上昇させたりすることができる。滞留時間は、流体分子が、地表入口２１から地表出口２４まで流れるのにかかる期間を指す。滞留時間は、ボリュームを流量で割ることによって計算され得る。コントローラ１９は、地熱井１０における第２の作動流体２６の流量を変化させることによって、第２の流体２６の滞留時間を変化させることができる。滞留時間（または流量）を変化させることにより、放出サイクル時間および充填サイクル時間を制御することができ、このシステムのエネルギー出力を適合させる。たとえば、このシステム（または一緒に集約された複数の地熱システム）は、滞留時間を変化させることにより、エンドユーザに、要求に応じたエネルギーを供給すること、エンドユーザの需要プロファイルに対応するように出力を適合させること、または風もしくは太陽などの断続的な再生可能資源と統合することができる。

いくつかの実装形態では、収集施設２２によって過剰電力が生成される場合、過剰電力は、バッテリーまたはスーパーコンデンサなどの適切な貯蔵装置に貯蔵され得、または類似の地熱井の別の流体を持ち上げるために使用され得る。加えて、送電網に対する電力の供給と、電力を生産する断続的なエネルギー源３７からの出力に基づく地熱井１０の制御とに関して論じてきたが、これらの同一の概念は、他のエネルギー分野および／または混合エネルギー分野のシステムに適用されるはずである。たとえば、ある特定の事例では、コントローラ１９は、工業プロセス、都市の管区または熱を直接使用する他のシステムに対する熱供給システムの熱需要に基づいて充填サイクルと放出サイクルとを切り換えることができる。

図４は、例示の流体取扱い施設２０の概略図を示す。流体取扱い施設２０は、地熱井１０における流体２６、２８（および他の作動流体）のシーケンス、タイミング、流量、ボリューム、およびルーティングを制御するかまたは変化させることができる。例示の流体取扱い施設２０は、コンテナと、（流体２６、２８を、地熱井１０を通して一緒に流した後に分離するための）タンクまたはセパレータ容器４０と、流体レベルメータ６０と、２つ以上の流体入口管４４および４６と、２つ以上の流体出口管５４および５６と、それぞれの入口管および出口管の各々におけるそれぞれの弁４８および５８とを含む。入口管４４および４６は、地表配管４１の供給管４２に（たとえばＹ管継手またはマニフォールドによって）流体連結されており、出口管５４および５６は（たとえばＹ管継手またはマニフォールドによって）地表配管４１の戻り管４３に流体連結されている。流体レベルメータ６０が各流体２６、２８（および妥当な場合には境界面２３の）レベルを検知することができ、システムのサイクルを開始するため、流体を分離するため、他の密な流体を注入するため、または他の関連する目的のために、弁を開閉することにより、流体２６、２８を、タンク４０に流入させたり、タンク４０から流出させたりすることができる。

特に、この地熱井は、図１に示されたものをしのぐ他の多くの構成を採用することができる。図５は、内部に坑井ストリング５０が配設されている地熱井２１０を含む別の例の地熱システム２００を示す。地熱井２１０は、（示されるように）垂直または非垂直（たとえば偏向、傾斜、水平）であり得る。坑井ストリング５０は、地熱井２１０の壁、環状部２１１を形成する。地熱井２１０の地表入口２１２は坑井ストリング５０の最上部流体入口であり得、地熱井２１０の地表出口２１４は環状部２１１の最上部流体出口であり得る。図１に示されるように、地熱井２１０は、電力生産システム１０１の一部であり得て、ポンプ、収集施設、および流体取扱い施設に接続され得る。

図６が示す別の例示の地熱システム３００は、入口坑井３１２を有する地熱井３１０と、出口坑井３１４と、入口坑井３１２および出口坑井３１４から非垂直方向に偏位した相互接続坑井３１６とを含む。たとえば、入口坑井３１２と出口坑井３１４とが「共同設置」され得、または互いに比較的近く（たとえば同一のパッド上に）配置され得て、相互接続坑井３１６は、入口坑井３１２から出口坑井３１４まで直接延在するのではなく、側面図においてＣ字形を形成する。相互接続坑井３１６は、ケースに入れられるか、または裸坑であり得る。

相互接続坑井３１６は２つの「積み重ねられた」坑道３１６ａおよび３１６ｂを含む。たとえば、相互接続坑井３１６が含む第１の水平方向の坑井３１６ａが、地表入口坑井３１２の下向き孔端に流体連結されており、ここから第１の水平坑井３１６ａの内端部３１７まで延在する。また、相互接続坑井３１６が含む第２の水平方向の坑井３１６ｂが、地表出口坑井３１４の下向き孔端に流体連結されており、ここから第１の水平坑井３１６ａの内端部３１７まで延在する。いくつかの実装形態では、坑井３１８は、水平方向の坑井３１６ａと３１６ｂとの２つの終端を接続することができる。第２の水平方向の坑井３１６ｂは、第１の水平方向の坑井３１６ａよりも下またはその隣にある。たとえば、第１の水平方向の坑井３１６ａは、第２の水平方向の坑井３１６ｂの真上にあり得、またはこれに対して垂直方向にオフセットされ得る。

地熱井３１０を形成するために、地表入口坑井３１２は、（たとえば垂直区域および非垂直区域を含む）方向性の坑井として形成され得、地表出口坑井３１４は、同じ方向に延在する類似の方向性の坑井として形成され得る。面方向の入口坑井は地中区域「Ｚ」内に配設された第１の外端部３２１および第１の内端部３１７を含み、面方向の出口坑井は第２の外端部３２３および第２の内端部３２５を含む。第２の内端部３２５は、地熱井３１０の共通の下向き孔接合部３１８において第１の内端部３１７に流体連結され、側面図において、２つの面方向の坑井が「Ｌ字形の」坑井を形成する。坑道３１６ａ、３１６ｂは、水平であり得、または傾斜し得る。１つまたは複数の収集施設２２、ポンプ１８、または流体取扱い施設２０を含む地表機器２９は、図１～図５に関して上記で説明されたのと同様のやり方で熱伝達作動流体を循環させる。地熱井３１０は、図１に示されるように電力生産システム１０１の一部であり得る。

いくつかの事例では、外端部３２１、３２３は裸坑であり得る。加えて、坑道３１６ａおよび３１６ｂならびに内端部３１７および３２５は裸坑であり得る。地熱井３１０の裸坑区域は、坑井と地中区域「Ｚ」の周囲の地面または岩石との間に、実質的に不浸透性の境界面を有し得る。

図７および図８は、他の例示の地熱井４１０および５１０を示す。地熱井４１０および５１０は、図１に示されるように電力生産システム１０１の一部であり得る。図７および図８がそれぞれ示す地熱システム４００、５００は、それぞれ、地熱井４１０、５１０と、図１に示される収集施設２２、ポンプ１８、または流体取扱い施設２０のうち少なくとも１つを含む地表機器２９とを含む。

図７が示す地熱井４１０が有する複数の偏位した坑井４１５は、地表入口坑井４１４の共通の下向き孔端４５０に流体連結され、ここから地表出口坑井４１６の共通の下向き孔端４５１まで延在する。ターゲットの地中区域「Ｚ」には、それぞれの偏位した坑井４１５がある。それぞれの偏位した坑井４１５は、地表入口坑井４１４の下向き孔端４５０から下向き孔接合点４３８まで延在する第１の側方の坑井４３５を含む。それぞれの偏位した坑井４１５は、地表出口坑井４１６の下向き孔端４５１から下向き孔接合点４３８まで延在する第２の側方の坑井４３６も含む。２つの側方の坑井４３５と４３６とが、下向き孔接合点４３８において流体相互接続されている（たとえば交差する）。第１の側方の坑井４３５は、第２の側方の坑井４３６の垂直方向の上にある。

図８が示す地熱井５１０は、実質的に図８の地熱井４１０に類似であり、主な相違は、偏位した坑井５１５のグループが、水平ではなく傾斜していることである。それぞれの偏位した坑井５１５が、入口坑井５１４の下向き孔端５５０から延在する第１の側方の坑井５３５と、出口坑井５１６の下向き孔端５５１から延在する第２の側方の坑井５３６とを含む。坑道５３５、５３６は、共通の下向き孔接合点５３８において接続されている。側方の坑井５３５、５３６は、下向き孔接合点５３８が地表坑井５１４、５１６の下向き孔端５５０、５５１よりも深くなるように傾斜している。

図９は、地中区域「Ｚ」内の勾配変動性を収容するために異なる形状または構成の複数の坑井６１０を含む地熱システム６００を示す。たとえば、地熱井６１０は、図１～図８に示された地熱井のうちいずれかに類似のものでよい。地表入口坑井またはコンジット６１２は、第１の地表マニフォールド６２に共通して接続され得る。地表出口坑井またはコンジット６１４は、第２の地表マニフォールド６４に共通して接続され得る。地表機器２９は、マニフォールド６２、６４のうちいずれかに流体連結され得る。地熱システム６００は、地熱井６１０内に変動性が存在する場合には、異なるエネルギー量を収集することができる。地熱システム６００は、図１に示されるように、所定のエネルギー出力を供給するためにコントローラも有し得る。たとえば、各坑井６１０または坑井６１０のグループのエネルギー出力は、別の坑井６１０または送電網に電力を供給するために組み合わされ得る。

各坑井６１０は閉ループ地熱井であり得、それぞれが、図１～図８に関して説明された地熱井に類似の動作をすることができる。これらの坑井６１０から収集されたエネルギーは、選択的に可変のエネルギーであり得、所定の量のエネルギー出力を生成するために合併され得る。

図１０は、図９の地熱システム６００の可能なルーティング構成の概略図である。たとえば、各坑井６１０は、それぞれの入口坑井６１２および出口坑井６１４を有して独立したものであり得る。出口坑井６１４と入口坑井６１６との間（たとえばそれぞれの収集施設とポンプとの間）に電線路６５６が相互接続され得、出口坑井６１４は、地表において共通して接続された入口坑井３１４に（または別の出口坑井３１４に）電力を供給することができる。その上、マニフォールド６４、６２は流体連結され得、各マニフォールドの間に流体が流れる。地熱井６１０は、個々の坑井に関連した地表機器または複数の坑井６１０に関連した共通機器に接続され得る。地熱システム６００は、１つのモジュール式の動作すなわち坑井、断続的な電源、送電網から別のものへと、エネルギー出力の正規化を助長するように「調整可能」であり得る。合計の出力またはエネルギー７０が、電気エネルギーに変換されて、電力生産システムの任意の部分へルーティングされ得る。エネルギーは、特定の時間フレーム中の任意の所与の時点において、コントローラまたは電力分配器７６によって、特定のパラメータに依拠して切換え可能な、ベース負荷７２または制御された電気エネルギー７４として供給され得る。

図１１は、一緒に集約された別々の地熱井ループの出力を示すグラフデータを表す。集約システムの計画された適合出力を供給するために、流量、流体の順序付け、流体組成、および充填サイクル／放出サイクルのタイミングなどの動作パラメータが、各ループについて制御され得る。数字８０は需要を表し、数字８２は第１のループからの出力を表し、数字８４は第２のループからの出力を表し、数字８６は第３のループからの出力を表す。前述のパラメータは、３つのループの集約された出力がエンドユーザの需要プロファイルを満たすように適合されるように、制御される。

図１２は、地中区域にある熱貯蔵所８８（たとえば空隙または地下貯蔵所）に流体連結された地熱井７１０を含む地熱システム７００を示す。貯蔵所８８は、既存の組成の流体を含有し得、または地熱井７１０からの作動流体で満たされ得る。弁９２は、地熱井７１０と熱貯蔵所８８との間の流体経路を開閉するように地表から動作され得る。同様に、下向き坑井部分９０は、流体を貯蔵することができ、弁９４によって類似のやり方で分離され得る。地熱システム７００は、要求されたとき、熱サイホンの導入を容易にすることができ、本明細書で論じられた実施形態のうちいずれかに組み込まれ得る。

図１３は、地熱エネルギーを生成する例示の方法１３００の流れ図である。この方法は、ターゲットの地中区域内にある閉ループ地熱井において、地熱井の地表入口から地熱井の下向き孔の位置まで第１の熱伝達作動流体を流すステップ（１３０５）を含む。この方法は、地熱井において、地熱井の地表入口から下向き孔の位置まで第２の作動流体を流すステップ（１３１０）も含む。第２の作動流体は第１の熱伝達作動流体の上流にある。第２の作動流体の流体密度は第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い。この方法は、地熱井の中で第２の作動流体を循環させることにより、第２の作動流体で第１の熱伝達作動流体を地熱井の地表出口の方へ押し進めるステップ（１３１５）も含む。この方法は、地熱井の地表出口において受け取られた移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップ（１３２０）も含む。

図１５は、本開示による例示のコントローラの概略図である。たとえば、コントローラ１４００は、図１に示されたコントローラ１９を含み得、またはその一部であり得る。コントローラ１４００は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、プロセッサ、デジタル回路などの様々な形態のデジタルコンピュータを含むように、または別様に意図されている。加えて、このシステムは、フラッシュドライブなどの携帯型記憶媒体を含み得る。たとえば、フラッシュドライブは、オペレーティングシステムおよび他のアプリケーションを記憶し得る。フラッシュドライブは、別のコンピュータデバイスのポートに挿入され得る無線送信機またはコネクタなどの入出力構成要素を含み得る。

コントローラ１４００は、プロセッサ１４１０、メモリ１４２０、記憶装置１４３０、および入出力装置１４４０を含む。構成要素１４１０、１４２０、１４３０、および１４４０のそれぞれが、システムバス１４５０を用いて相互接続されている。プロセッサ１４１０は、図１～図４に示された処理装置１２０を含み得、またはその一部であり得、コントローラ１４００の内部で実行するための命令を処理することができる。プロセッサは、多くのアーキテクチャのうち任意のもの使用して設計され得る。たとえば、プロセッサ１４１０は、ＣＩＳＣ（複数命令セットコンピュータ）プロセッサ、ＲＩＳＣ（縮小命令セットコンピュータ）プロセッサ、またはＭＩＳＣ（最小命令セットコンピュータ）プロセッサでよい。

一実装形態では、プロセッサ１４１０は、シングルスレッドプロセッサ、マイクロプロセッサ、またはパラメータコントローラである。別の実装形態では、プロセッサ１４１０は、マルチスレッドプロセッサである。プロセッサ１４１０は、メモリ１４２０または記憶装置１４３０に記憶された命令を処理することができ、ユーザインターフェース用のグラフィック情報を入出力装置１４４０に表示する。

メモリ１４２０は、コントローラ１４００の内部情報を記憶する。一実装形態では、メモリ１４２０はコンピュータ可読媒体である。一実装形態では、メモリ１４２０は揮発性記憶素子である。別の実装形態では、メモリ１４２０は不揮発性記憶素子である。

記憶装置１４３０は、コントローラ１４００に大容量記憶をもたらすことができる。一実装形態では、記憶装置１４３０はコンピュータ可読媒体である。種々の実装形態において、記憶装置１４３０は、フロッピーディスク装置、ハードディスク装置、光ディスク装置、またはテープ装置でよい。

入出力装置１４４０は、コントローラ１４００用の入出力動作をもたらす。一実装形態では、入出力装置１４４０は、キーボードおよび／またはポインティングデバイスを含む。別の実装形態では、入出力装置１４４０は、グラフィカルユーザインターフェースを表示するための表示ユニット（たとえばハンドヘルドデバイス）を含む。

次に、種々の地熱坑井において実行された複数の試験または事例研究が参照される。試験または事例研究は、システムの過渡の熱力学的モデルを使用して計算された。実施例１は、複数の相互接続坑井を有する、図１の坑井に類似のＵ字形の坑井において実行された試験である。実施例２は、流れタービンを用いて過圧を電力に変換する、図７の坑井に類似のＬ字形の坑井において実行された試験である。実施例３は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を使用して過圧をより大きい流量に変換する、図７の坑井に類似のＬ字形の坑井において実行された試験である。実施例４は、大きい熱膨張係数を有する第２の作動流体を用いるＯＲＣを使用して、図７の坑井に類似のＬ字形の坑井において実行された試験である。実施例５は、ＯＲＣを使用して、図８の坑井に類似のＬ字形の坑井において実行された試験である。

パラメータ：
－ 坑井の形状：水平方向の２つの相互接続坑井を有するＵ字形の坑井
－ 合計の垂直深さ（ＴＶＤ）：２４００ｍ
－ 所在地から所在地までの距離：２５００ｍ
－ 組成の温度：７８℃
－ 坑井の直径：外被は７インチ、坑道は６と１／８インチ
－ ベース負荷動作：ベース負荷動作の間、出口坑井圧力は３９５ｋＰａＧであり、温度は５１℃であった。
手順および結果：
一定流量の通常の循環の下で、入口坑井において、より高い密度の組成を加えた。より高い密度の流体のスラグは、出口坑井において過圧に変換される、９００ｋＰａＧに至る、重力による位置エネルギーをもたらし、これは、機械的作用のために使用され得、またはタービンによって電力に変換され得る。より高い密度のスラグが出口坑井を上へ移動するとき、出口圧力が降下するので、循環を維持するためにポンプが必要になり、よって、ポンプのために必要な電気エネルギーを重力による位置エネルギーとして貯蔵する。この特定の試験では、より高い密度の流体は、より低い密度の流体に対して混合性であり、非混合性スペーサ、区切り、または流体取扱い機器は使用されなかった。流体は、数回の循環サイクルにわたってゆっくり混合し、２つの流体の間の濃度差は最終的に等しくなる。したがって、経時的に低下する悪影響があるが、これは、高密度の新規のスラグまたはピルを注入するか、または地表において流体を分離することによって緩和することができる。

パラメータ：
－ 坑井の形状：水平方向の坑道を有するＬ字形の坑井（入口坑井の縦軸に対する角度は９０°）
－ 合計の垂直深さ（ＴＶＤ）：４５００ｍ
－ 水平方向の坑井の長さ：６０００ｍ
－ 坑道の数：１２
－ 温度勾配：３０℃／ｋｍ
－ 入口坑井の温度：２０℃
手順および結果：
地熱井において重液（たとえば第２の作動流体）が循環する。重液により、出口坑井の圧力が上昇する。この割増の圧力は、タービンを使用して有効な作用に変換され得る。ペルトンタービンが流体の流れ（運動エネルギー）および圧力（圧力の位置エネルギー）をタービンの回転運動に変換し、発電機によって電力に変換する。重力貯蔵による発電の可能性を推定するためには、過圧およびベースケース流量を使用する発電の計算が必要である。発生電力＝発電機効率×タービン効率×使用圧（ＭＰａ）×流量（ｋｇ／ｓ）。消費電力＝所要圧力（ＭＰａ）×流量（ｋｇ／ｓ）×１／ポンプ効率。流量が増加するとともに熱サイホンの量が減少する。流量がより大きければ、ループから伝わる熱責務が大きくなる。十分な圧力をかけて、熱サイホンの能力を超えて流量を増加させるために、ポンプが必要になり得る。
想定：
このシステムは、放出中に、ベースケースの最大の流量６７．４ｋｇ／ｓ（２４２．５ｍ^３／ｈｒ）で動作する。充填モードの流量は放出（６７．４ｋｇ／ｓ）と一致するように保たれる。充填モードの流量は、所望のループ実行時間を実現するように最適化され得る。たとえば、１７．６トンの重液が追加されると、タービンによる追加の発電出力は１６９ｋＷであり、重液を地表へ戻すために必要なポンプ電力は２２５ｋＷである（１９．３ＭＷの連続的な熱生成に対して、２０％のＯＲＣ効率を想定して約３．８５ＭＷの電力である）。システムは、第１のバッチが一旦水平方向の坑井区域に入ったら、重液の別のバッチを追加することによって最適化され得る（６７．４ｋｇ／ｓにおける垂直方向および水平方向の移動時間は、それぞれ０．７時間および１０．９時間である）。ラウンドトリップ効率は、発電機効率と、タービン効率と、ポンプ効率との積に等しい。すべてのユニットの効率が１００％であれば、貯蔵は無損失になる。ラウンドトリップ効率は７５％であり、次式で計算される。

パラメータ：
－ 坑井の形状：水平方向の坑道を有するＬ字形の坑井（入口坑井の縦軸に対する角度は９０°）
－ 合計の垂直深さ（ＴＶＤ）：４５００ｍ
－ 水平方向の坑井の長さ：６０００ｍ
－ 坑道の数：１２
－ 温度勾配：３０℃／ｋｍ
－ 入口坑井の温度：２０℃
手順および結果：
重力貯蔵を利用する別のやり方には、放出サイクル中に流量を増加させて、増加した熱サイホン圧力を利用するものがある。ポンプ要件は実施例２に類似するはずである。流量を増加させる熱サイホン圧力を利用すると、生成された熱責務がかなり上がる（図６）。しかしながら、流量が増加するので、循環時間が縮小し、全体的な流れサイクル期間が縮小する（図７）。重液の第１のバッチが（平坦な）水平方向の区域を通って前進している間に、重液の追加のバッチを加えて放出サイクルの期間を延長することができる。前のバッチが水平方向の区域に入ると直ちに新規のバッチを追加することができる（想定される坑井の構造設計では、ループの中に最大１５までの重力ピルが同時に存在し得る）。
運転上の想定：
システムは、放出サイクル中に最大の熱サイホンで動作する。システムは、充填サイクル中にベースケース（最大の熱サイホン）率で動作する。たとえば、１７．６トンの重液が追加されると、サポートされる最大流量が４６６．７ｍ^３／ｈｒまで増加する（ベースケースの２４２．５ｍ^３／ｈｒから増加する）。この流量増加により、熱責務が１９．３ＭＷｔｈから３７．１ＭＷｔｈに増加する（２０％のＯＲＣ効率を想定すると、それぞれ７．４ＭＷｅおよび３．９ＭＷｅである）。重液を２４２．５ｍ^３／ｈｒで地表へ戻すのに必要なポンプ電力は２２５ｋＷである。このシステムは、第１のバッチが一旦水平方向の坑井区域に入ったら、重液の別のバッチを追加することによって最適化され得る（４６６．７ｍ^３／ｈｒでの垂直方向および水平方向の移動時間は、それぞれ０．３６時間および５．６６時間である）。周囲の岩石によって付加されるエネルギー量のために、ラウンドトリップ効率の数値には意味がない。

パラメータ：
－ 坑井の形状：水平方向の坑道を有するＬ字形の坑井（入口坑井の縦軸に対する角度は９０°）
－ 合計の垂直深さ（ＴＶＤ）：４５００ｍ
－ 水平方向の坑井の長さ：６０００ｍ
－ 坑道の数：１２
－ 温度勾配：３０℃／ｋｍ
－ 入口坑井の温度：２０℃
手順および結果：
重液の熱膨張係数が水のものよりも大きければ、熱サイホンが増大する。水は、２０℃においての熱膨張係数は２１０×１０^－６℃^－１である。たとえば、βを、水のβから２桁（たとえば約０．０００２５６８℃^－１から０．０２５６８℃^－１に）増加することができれば、重液を地表まで持ち上げるのにポンプが不要になる。

パラメータ：
－ 坑井の形状：傾いたまたは傾斜した坑道を有するＬ字形の坑井（入口坑井の縦軸に対する角度は２０°）
－ 合計の垂直深さ（ＴＶＤ）：７３１９ｍ
－ 水平方向の坑井の長さ：６０００ｍ
－ 坑道の数：１２
－ 温度勾配：３０℃／ｋｍ
－ 入口坑井の温度：２０℃
手順および結果：
重液による圧力上昇が続き、その間、流体は、水平方向の区域ならびに垂直方向の区域を下方へ移動している。以前の事例のうちのいくつかでは、重液を地表へ戻すためにポンプが必要である。図８に示された坑井の設計により、ベースケースの熱責務の生産がかなり向上し、より高い入口温度での動作が可能になる。重力貯蔵により、生産率が増進され、熱責務の生成のさらなる改善が可能になる。

上記の、発明を実施するための形態は、例示のために多くの特定の詳細を含有しているが、当業者なら、以下の細部に対する多くの例、変形形態および改変形態は、本開示の範囲および精神の範囲内にあることを理解するはずであることが理解される。したがって、本開示に説明されて添付図に提供された例示的な実装形態は、一般性を失うことなく、また、特許請求される実装形態に対して制約を課することなく、明らかにされる。

本実装形態を詳細に説明してきたが、ここにおいて、本開示の原理および範囲から逸脱することなく、様々な変更形態、置換、および改変形態が作製され得ることを理解されたい。したがって、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの適切な法的等価物によって決定されるべきである。

「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」といった単数形は、文脈が明らかに違った風に指示しなければ、複数の指示対象を含む。

本開示および添付の特許請求の範囲において使用される、「備える」、「有する」、および「含む」といった単語やすべての文法上の変形は、それぞれ、制限のない非限定的な意味を有し、追加要素またはステップを除外しないように意図されている。

本開示で使用される「第１の」および「第２の」などの用語は、任意に割り当てられ、単に装置の２つ以上の構成要素を区別することを意図するものである。「第１の」および「第２の」といった単語は、他の目的にかなうものではなく、構成要素の名称または説明の一部でもなく、必ずしも構成要素の相対的な位置または配置を定義するわけではないことを理解されたい。その上、「第１の」および「第２の」という用語の単なる使用は、本開示の範囲の下で何らかの「第３の」構成要素がある可能性は企図されるが、それを必要とするわけではないことを理解されたい。

１０ 閉ループ地熱井
１１ 地表
１２ 地表入口坑井
１３ 接合点
１４ 地表出口坑井
１５ 接合点
１６ 相互接続坑井
１６’ 第２の相互接続坑井
１７ 下向き孔の位置
１８ ポンプ
１９ コントローラ
２０ 流体取扱い施設
２１ 地表入口
２２ エネルギー収集施設
２３ 境界面
２４ 地表出口
２５ 第３の作動流体
２６ 第２の作動流体
２７ 外被
２８ 第１の熱伝達作動流体
２９ 地表機器
３１ 熱交換器
３５ 風力タービン
３６ 太陽パネル
３７ 断続的なエネルギー源
３８ 送電網
４０ タンク
４１ 地表配管
４２ 供給管
４３ 戻り管
４４，４６ 流体入口管
４８，５８ 弁
５０ 坑井ストリング
５４，５６ 流体出口管
６０ 流体レベルメータ
６２ 第１の地表マニフォールド
６４ 第２の地表マニフォールド
７０ エネルギー
７２ ベース負荷
７４ 電気エネルギー
７６ 電力分配器
８０ 需要
８２ 第１のループからの出力
８４ 第２のループからの出力
８６ 第３のループからの出力
８８ 熱貯蔵所
９０ 下向き坑井部分
９２，９４ 弁
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 地熱システム
１０１ 電力生産システム
１３０ 境界面
２１０，３１０，４１０，５１０，６１０，７１０ 地熱井
２１１ 環状部
２１２ 地表入口
２１４ 地表出口
３１２，５１４，６１２，６１６ 入口坑井
３１４，５１６，６１４ 出口坑井
３１６ 相互接続坑井
３１６ａ 坑道
３１６ｂ 坑道
３１７ 第１の内端部
３１８ 坑井
３２１ 第１の外端部
３２３ 第２の外端部
３２５ 第２の内端部
４１４ 地表入口坑井
４１５，５１５ 偏位した坑井
４１６ 地表出口坑井
４３５，４３６，５３５，５３６ 側方の坑井
４３８ 下向き孔接合点
４５０，４５１，５５０，５５１ 下向き孔端
５３８ 下向き孔接合点
Ｅ 地面
Ｚ 地中区域

Claims (24)

1. ターゲットの地中区域内にある閉ループ地熱井において、前記地熱井の地表入口から前記地熱井の下向き孔の位置まで第１の熱伝達作動流体を流すステップと、
   前記地熱井において、前記地熱井の前記地表入口から前記下向き孔の位置まで第２の作動流体を流すステップであって、前記第２の作動流体が前記第１の熱伝達作動流体の上流にあり、前記第２の作動流体の流体密度が前記第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い、ステップと、
   前記地熱井の中で前記第２の作動流体を循環させることにより、前記第２の作動流体で前記第１の熱伝達作動流体を前記地熱井の地表出口の方へ押し進めるステップと、
   前記地熱井の前記地表出口において受け取られた移動性の前記第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップと
   を含む方法。
2. 前記地熱井が、（ｉ）前記地表入口から前記ターゲットの地中区域まで延在する地表入口坑井と、（ｉｉ）前記地表出口から前記ターゲットの地中区域まで延在する地表出口坑井と、（ｉｉｉ）前記地表入口坑井に流体結合され、前記地表入口坑井と前記地表出口坑井とを相互接続する、偏位した坑井であって、前記ターゲットの地中区域にある偏位した坑井とを備え、前記第２の作動流体を循環させるステップが、前記第２の作動流体を、前記地表入口坑井から前記偏位した坑井まで流し、また前記偏位した坑井から前記地表出口坑井まで流すことにより、前記第１の熱伝達作動流体を前記地熱井の前記偏位した坑井から前記地表出口まで押し進めるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の作動流体の熱膨張係数が前記第１の流体の熱膨張係数以上であり、前記第２の作動流体を流すステップは、前記第２の作動流体が、前記地熱井内の前記ターゲットの地中区域から熱を吸収するとき、膨張して、前記地熱井の前記地表出口における前記第１の熱伝達作動流体の流量を増加させるように、前記地熱井に前記第２の作動流体を流すステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の熱伝達作動流体が水であり、前記第２の作動流体の熱膨張係数が水の熱膨張係数よりも１桁以上大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記地熱井がさらに備える複数の偏位した坑井が、前記地表入口坑井の共通の下向き孔端に流体連結され、ここから前記地表出口坑井の共通の下向き孔端まで延在し、前記複数の偏位した坑井の各々が前記ターゲットの地中区域内にあって、それぞれが、（ｉ）前記地表入口坑井の前記下向き孔端から下向き孔接合点まで延在する第１の水平方向の坑井と、（ｉｉ）前記地表出口坑井の前記下向き孔端から前記下向き孔接合点まで延在する第２の水平方向の坑井とを備え、前記第２の作動流体を循環させるステップが、前記第２の作動流体を、前記地表入口から前記下向き孔接合点へ、前記下向き孔接合点から前記地表出口へと流すステップを含む、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
6. それぞれの水平方向の第１の坑井がそれぞれの水平方向の第２の坑井の上にあり、前記下向き孔接合点が、前記地表入口坑井の前記下向き孔端よりも深くなるように、前記水平方向の第１および第２の坑井の各々が傾斜している、請求項５に記載の方法。
7. 前記第２の作動流体を流すステップの後に、
   前記閉ループ地熱井において、第３の熱伝達作動流体を前記地表入口から前記下向き孔の位置まで流すステップであって、前記第３の熱伝達作動流体が前記第２の作動流体の上流にあり、前記第３の熱伝達作動流体の流体密度が前記第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い、ステップと、
   前記第３の熱伝達作動流体を前記閉ループ地熱井の中で循環させるステップであって、前記第３の熱伝達作動流体が、前記第２および第１の熱伝達作動流体を前記閉ループ地熱井の前記地表出口の方へ押し進める、ステップと
   をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記閉ループ地熱井が、前記閉ループ地熱井の中で前記第１および第２の作動流体を循環させるように構成されたポンプに電気的に結合されたコントローラを備え、前記コントローラが、断続的なエネルギー源に関連した送電網のエネルギー需要を基に前記ポンプの流量を変化させることにより、前記第１および第２の作動流体の流量を、前記第２の作動流体を前記地熱井の下向き孔の位置から前記地熱井の地表まで持ち上げるステップを含む充填サイクルと、前記地熱井の中で前記第２の作動流体を循環させて、前記第１の熱伝達作動流体を前記地熱井の前記地表出口の方へ押し進め、前記第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップを含む放出サイクルとの間で、切り換えるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ポンプが前記断続的なエネルギー源によって給電され、前記コントローラが、前記断続的なエネルギー源が前記送電網のエネルギー需要を満たすかまたは超過するとき充填サイクルを開始するように構成され、前記コントローラが、前記放出サイクル中に、前記収集されたエネルギーを前記送電網に供給して、前記断続的なエネルギー源のエネルギー出力を補足するように構成され、前記コントローラが、前記断続的なエネルギー源が前記送電網の前記エネルギー需要を満たさないとき前記放出サイクルを開始するように構成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記断続的なエネルギー源のエネルギー出力を補足するステップが、前記断続的なエネルギー源とともに、前記送電網向けの制御可能なエネルギー出力を生成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の作動流体を循環させるステップが、前記第１および第２の作動流体を用いて前記ターゲットの地中区域から熱エネルギーを回収するステップを含み、エネルギーを収集するステップが、前記移動性の第１の熱伝達作動流体から、液圧エネルギー、熱エネルギー、または力学的エネルギーのうち少なくとも１つを生成するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記閉ループ地熱井の地表において、前記第１の熱伝達作動流体または前記第２の作動流体のうち少なくとも１つの温度、滞留時間、または流体密度のうち少なくとも１つを変化させて、前記地表出口における前記第１の熱伝達作動流体の指定されたエネルギー出力を変化させるステップをさらに含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 滞留時間を変化させるステップが、放出サイクル中は、前記地熱井に関連した断続的なエネルギー源の低エネルギー出力に基づき、前記第２の作動流体が前記第１の熱伝達作動流体を前記地表出口まで押し進め、充填サイクル中は、前記地熱井に関連した断続的なエネルギー源の高エネルギー出力に基づき、前記断続的なエネルギー源から給電されたポンプによって前記第２の作動流体を前記地表出口まで持ち上げるように、前記第２の作動流体が前記地表入口から前記地表出口まで流れる時間を変化させて、前記第２の作動流体の流量を変化させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の熱伝達作動流体と前記第２の作動流体とが混ざることなく、または前記地熱井の前記第１の熱伝達作動流体と前記第２の作動流体との間に混ざらないピルが配設されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記閉ループ地熱井が、（ｉ）面方向の入口坑井および面方向の出口坑井を備えるＬ字形の坑井であって、前記面方向の入口坑井が前記地中区域内に配設された第１の外端部および第１の内端部を備え、前記面方向の出口坑井が第２の外端部および第２の内端部を備え、前記第２の内端部が、前記地熱井の共通の下向き孔接合部において前記第１の内端部に流体連結され、側面図において、前記２つの面方向の坑井がＬ字形の坑井を形成する、Ｌ字形の坑井、（ｉｉ）前記地表入口から前記地中区域まで延在する地表入口坑井と、前記地表入口坑井から間隔をおいて配置され、前記地表出口から前記地中区域まで延在する地表出口坑井と、前記地表入口と前記地表出口との間に延在してこれらを流体連結する相互接続坑井とを備えるＵ字形の坑井であって、側面図において、前記地表入口坑井と前記地表出口坑井とでＵ字形の坑井を形成する、Ｕ字形の坑井、あるいは（ｉｉｉ）内部に坑井ストリングが配設されている単一の坑井であって、前記坑井ストリングが前記単一の坑井の壁とともに環状部を画定し、前記環状部が前記地表入口を画定し、前記坑井ストリングが前記地表出口を画定する、単一の坑井、のうち少なくとも１つを備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記地熱井がＬ字形の坑井であり、前記第１および第２の外端部が裸坑であり、また、前記それぞれの外端部と前記それぞれの内端部との間のそれぞれの坑井の区域が、裸坑であり、それぞれの坑井とそれぞれの坑井を囲む前記地中区域の地面との間に、実質的に不浸透性の境界面を備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の熱伝達作動流体を流すステップの前に、
    前記閉ループ地熱井に密封材を流すステップと、
    前記地熱井の中で前記密封材を循環させることにより、前記地熱井と前記地熱井を囲む前記地中区域の前記地面との間に熱伝導性の境界面を形成するステップであって、前記熱伝導性の境界面は流体に対して実質的に不浸透性であるが、前記坑井の少なくとも一部は裸坑である、ステップと
    をさらに含み、
    前記第２の作動流体を循環させるステップが、前記第２の作動流体を、前記熱伝導性の境界面を介して前記ターゲットの地中区域に晒すことによって熱的に充填するステップを含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ターゲットの地中区域または別の地中区域にある複数の閉ループ地熱井であって、各々がそれぞれの地表入口およびそれぞれの地表出口を備える複数の閉ループ地熱井をさらに備える、方法であって、
    各地熱井において、それぞれの第１の熱伝達作動流体を、各地熱井の前記地表入口から各地熱井の下向き孔の位置まで流すステップと、
    各地熱井において、それぞれの第２の作動流体を、各地熱井の前記地表入口から各地熱井の下向き孔の位置まで流すステップであって、前記それぞれの第２の作動流体が前記それぞれの第１の熱伝達作動流体の上流にあり、前記それぞれの第２の作動流体の流体密度が前記それぞれの第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い、ステップと、
    各地熱井の中で前記それぞれの第２の作動流体を循環させることにより、前記それぞれの第２の作動流体で前記それぞれの第１の熱伝達作動流体を各地熱井の前記地表出口の方へ押し進めるステップと、
    各地熱井の前記地表出口において受け取られた前記それぞれの移動性の第１の熱伝達作動流体からエネルギーを収集するステップと
    をさらに含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記エネルギーを収集するステップが、前記それぞれの移動性の第１の熱伝達作動流体の各々から、選択的に調整可能なエネルギーを収集するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
20. エネルギーを収集するステップが、前記それぞれの移動性の第１の熱伝達作動流体の各々から収集されたエネルギーを合併させて所定の量のエネルギー出力を形成するステップを含む、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記複数の地熱井のうち１つの、前記それぞれの第２の作動流体を循環させるステップが、前記複数の地熱井のうち別のものの前記収集されたエネルギーで給電されるポンプを用いて、前記それぞれの地熱井の中で前記それぞれの第２の作動流体を循環させるステップを含む、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 不規則な電力供給および送電網からの要求を正規化する方法であって、
    請求項１の方法によって電気エネルギーを生成するステップと、
    形成された電気エネルギーを、前記送電網において需要が増加する期間と一致する所定の時間において前記送電網に供給するステップと
    を含む方法。
23. 地表入口坑井、
    地表出口坑井、および
    前記地表入口坑井に流体結合され、前記地表入口坑井と前記地表出口坑井とを相互接続し、ターゲット地中地熱区域にある相互接続坑井
    を備える閉ループ地熱井と、
    前記地熱井の中で循環するように構成されて、前記地熱井の内部にある第１の熱伝達作動流体と、
    前記地熱井の中で前記地表入口坑井から前記地表出口坑井まで循環するように構成された第２の作動流体であって、前記第１の熱伝達作動流体の上流にあり、前記第１の熱伝達作動流体の流体密度よりも高い流体密度を有する第２の作動流体と
    を備え、
    前記第２の作動流体を循環させることが、前記第２の作動流体で前記第１の熱伝達作動流体を前記地表出口坑井の地表出口の方へ押し進め、前記移動性の第１の熱伝達作動流体から前記地表出口においてエネルギーを収集することを含む、
    地熱システム。
24. 送電網と、
    前記送電網に電気的に結合された断続的な発電源と、
    前記送電網に電気的に結合された閉ループ地熱システムであって、
    地表入口および地表出口を備える地熱井と、
    前記地表出口に流体連結され、前記送電網に電気的に結合された熱交換器とを備え、前記熱交換器が、第２の作動流体の重力による位置エネルギーを第１の熱伝達作動流体の運動エネルギーに変換するために、前記地熱井の中で下向き孔を循環する第２の作動流体によって押し進められた第１の熱伝達作動流体の動きによって生成された電力を出力するように構成されており、前記第２の作動流体が、前記第１の熱伝達作動流体よりも密度が高く、前記第１の熱伝達作動流体の上流にある、
    閉ループ地熱システムと、
    前記送電網、前記断続的な発電源、および前記閉ループ地熱システムに動作可能に結合されたコントローラであって、前記断続的な発電源の出力を基に、選択された期間に関する前記送電網の電力需要を判定して、前記閉ループ地熱システムの充填サイクルと放出サイクルとを切り換えることにより、前記断続的な発電源とともに、前記送電網に制御可能なエネルギー出力を供給するように構成されたコントローラと
    を備える電力生産システム。

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