JP6659696B2 - 発電方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電気を発生させる方法に関する。特に、地熱源（geothermal sources）から得られる温塩水ストリーム(warm saline streams)からの発電に関する。
現在、化石燃料に頼らない、新規で再生可能なエネルギー源に向けて、多くの努力が向けられている。
そのような研究領域の１つは、圧力遅延浸透（pressure retarded osmosis）（ＰＲＯ）として知られるプロセスである。このプロセスでは、より濃縮された溶液から、より濃縮されていない溶液を分離するために半透膜が使用される。この膜は、浸透によって、低濃度の（低浸透圧）溶液から、より高濃度の（高浸透圧）溶液に、溶媒を通過させ、これにより、膜の溶媒が拡散する側の圧力が上昇する。この圧力は電気を発生させるのに利用できる。少数のＰＲＯプラントが世界各地で稼動しているが、これらは、一般に、浸透現象のドライバーとして、塩分濃度の差異を使用する。典型的には、低濃度溶液のフィードストリームとして川や湖からの淡水を、そして高濃度溶液として海水を、使用する。Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358は、ＰＲＯを説明するレビュー記事である。典型的には、現在までのＰＲＯスキームは、海水と河川水の混合を使用しており、パイロット規模のプラントでは、達成される電力密度（power densities）が低いため、そのプロセスは経済的でないことが判明している。約５Ｗ／ｍ２膜の電力密度（power density）が、ＰＲＯが経済的に実行可能になる可能性のある発電レベルであることが、示唆されている。実験室外では、既存の膜技術を用いてこのレベルの電力密度を河川水／海水混合方式で達成することは一般的に不可能であった。
浸透圧を用いるプロセスにおいて、地下地層（underground formations）中に見出されるエネルギーを利用するための多くの試みがなされている。ＷＯ２０１３／１６４５４１は、より濃縮された溶液が「生産水（production water）」であり、濃縮されていない溶液が淡水又は海水である、直接浸透（direct osmosis）による発電方法を記述している。生産水は、炭化水素製造中に炭化水素ストリームから分離して得られる水である。また、ＷＯ２０１３／１６４５４１は、地下地層から得られる塩水ストリームがより濃縮された溶液として使用できることを記載している。
しかし、浸透圧による発電を行う試み及び地熱ストリーム中に存在するエネルギーを利用する試みの殆どは、全く異なるアプローチを使用している。このことは、閉ループ浸透システムのドライバーとして地熱源から得られる熱を使用することを想定した多くの文書に記載されている。ＵＳ２０１０／００２４４２３は、フィードが典型的には淡水及び海水であり、使用済み溶液が環境中に戻される「開ループ」ＰＲＯシステムと、単一溶液が、例えば蒸発によって、より濃縮された溶液とより濃縮されていない溶液に、分離される「閉ループ」システムとの違いを説明している。このような分離は、産業廃熱等の低品位の熱源、又は地熱熱源等の再生可能な熱源によって供給されるエネルギーを必要とする。ＵＳ２０１０／００２４４２３の特定の発明は、ドロー溶液がアンモニア及び二酸化炭素である閉ループ浸透システムである。溶液をより濃縮された溶液とより濃縮されていない溶液とに分離するために熱伝達工程が使用され、その熱が地熱源から供給される閉ループシステムを説明する他の文献には、ＵＳ２０１４／００２６５６７及びLin et al, Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 5306-53113がある。
Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358
Lin et al, Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 5306-53113
しかしながら、地下地熱地層中に存在する温塩水ストリーム中に潜在するエネルギーの利用可能な最大量を得ている公知のプロセスは存在していない。我々は、ここに、地下地熱地層中に存在する温塩水ストリームからのエネルギー抽出の効率を高めることができるプロセスを見いだした。
一つの側面において、本発明は、下記工程を含む発電方法を提供する：
−地熱地層（a geothermal formation）から温塩水ストリーム(a warm saline stream)を抽出する工程、及び
−水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリーム(an aqueous stream)を通過させる、浸透圧発電ユニット（osmotic power unit）に、前記ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換させる工程、
ここで、前記温塩水ストリームが浸透圧発電ユニットに入る前に、前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換させる熱発電ユニット（thermal power unit）を通過させることによって、前記ストリームの温度を低下させる。
−地熱地層（a geothermal formation）から温塩水ストリーム(a warm saline stream)を抽出する工程、及び
−水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリーム(an aqueous stream)を通過させる、浸透圧発電ユニット（osmotic power unit）に、前記ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換させる工程、
ここで、前記温塩水ストリームが浸透圧発電ユニットに入る前に、前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換させる熱発電ユニット（thermal power unit）を通過させることによって、前記ストリームの温度を低下させる。
他の側面において、本発明は、下記工程を含む発電方法を提供する：
−地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程、及び
−前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを、熱発電ユニットを通過させることによって、電気に変換する工程、
−ここで、前記ストリームが熱発電ユニットに入る前に、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させることで、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換する、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリームの塩分濃度を低下させる。
−地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程、及び
−前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを、熱発電ユニットを通過させることによって、電気に変換する工程、
−ここで、前記ストリームが熱発電ユニットに入る前に、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させることで、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換する、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリームの塩分濃度を低下させる。
他の側面において、本発明は、地熱地層から温塩水ストリームを抽出することを含む発電方法であって、下記を含む方法を提供する：
（ａ）前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換させること；及び
（ｂ）水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させる、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、電気に変換させること。
（ａ）前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換させること；及び
（ｂ）水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させる、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、電気に変換させること。
他の側面において、本発明は、下記を含む発電システムを提供する：
−地熱地層から抽出される温塩水ストリームへの接続、
−高い塩分濃度のインプットストリームと低い塩分濃度のインプットストリームとの塩分濃度の差異を用いて、圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して電気を発生させるように配置された浸透圧発電ユニット、及び
−前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出することで冷却されたアウトプットストリームを生じ、電気を生成するように配置された熱発電ユニット、
ここで、当該システムは、熱発電ユニットの冷却されたアウトプットストリームを、高い塩分濃度のインプットストリームとして使用するために浸透圧発電ユニットに通すように配置される。
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ここで、当該システムは、熱発電ユニットの冷却されたアウトプットストリームを、高い塩分濃度のインプットストリームとして使用するために浸透圧発電ユニットに通すように配置される。
他の側面において、本発明は、地熱地層から温塩水ストリームを抽出することを含む発電方法であって、下記を含む方法を提供する：
−水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させる、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、電気に変換させること、
ここで、当該浸透圧発電ユニットは、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜をそれぞれ含む、１つ以上の浸透ユニット（osmotic unit）を含む。
−水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させる、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、電気に変換させること、
ここで、当該浸透圧発電ユニットは、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜をそれぞれ含む、１つ以上の浸透ユニット（osmotic unit）を含む。
発明の詳細な説明
本発明の方法は、地熱地層からの塩水ストリームを用いて、エネルギー発生効率を高めることができる。本発明の方法は、地熱地層から得られる同じ温塩水ストリームから熱エネルギー及び潜在的浸透エネルギーの両者を、抽出する。２つの異なるタイプのエネルギーを同じ供給源から抽出することによって期待できる発電量の増加に加えて、２つのエネルギー抽出プロセスは、互いに補完して、地熱地層からの温塩水ストリームの特定の特性によって引き起こされる各プロセスの非効率性を低減することができる。
本発明の方法は、地熱地層からの塩水ストリームを用いて、エネルギー発生効率を高めることができる。本発明の方法は、地熱地層から得られる同じ温塩水ストリームから熱エネルギー及び潜在的浸透エネルギーの両者を、抽出する。２つの異なるタイプのエネルギーを同じ供給源から抽出することによって期待できる発電量の増加に加えて、２つのエネルギー抽出プロセスは、互いに補完して、地熱地層からの温塩水ストリームの特定の特性によって引き起こされる各プロセスの非効率性を低減することができる。
地熱地層からの塩水ストリームは、例えば海水と比較して、増加した塩濃度をもたらすことができる。浸透圧発電ユニットの高塩分濃度のインプットストリームにおける塩濃度の増加は、圧力遅延浸透（ＰＲＯ）の間の電力密度の増加を可能にする。また、地熱地層からの塩水ストリームは典型的にはより広い周辺環境から分離されているので、地熱地層からの塩水ストリームは、海水又は他の先行技術の高塩分濃度源と比較して、浸透膜が汚染されるリスクを低下させ、及び／又は必要とされる前処理量を減少させることができる。しかしながら、このような塩水ストリームの高温は、現在利用可能な浸透膜の操作効率を低下させ、及び／又は現在利用可能な浸透膜の寿命を低下させる可能性がある。
地熱地層からの塩水ストリームは、発電のための熱エネルギーの有用な供給源となり得る。しかしながら、このような地熱ストリームの非常に高い塩分含量は、その発電プロセスの間に温度が低下するにつれて、固体塩の沈殿をもたらす結果となり得る。このような析出は、熱発電ユニットの汚損をもたらし、及び／又は熱発電プロセスの効率を低下させる可能性がある。
熱発電ユニットが地熱地層と浸透圧発電ユニットへの入口との間の流路上に配置されている場合、熱発電ユニットのアウトプットは冷却された塩水ストリームであり、これは浸透圧発電ユニットに送られる。（地熱地層からの温ストリームに比べて）より冷温の塩水ストリームは、地熱地層から得られた温ストリームよりも、浸透圧発電プロセスにより適しているかもしれない。例えば、より冷温の塩水ストリームは、浸透膜の効率及び／又は該膜の寿命の増加をもたらし得る。
浸透圧発電ユニットが地熱地層と熱発電ユニットへの入口との間の流路上に配置されている場合、浸透圧発電ユニットのアウトプットは塩分濃度が減少した温ストリームであり、これは熱発電ユニットに送られる。浸透圧発電プロセスの間に生じる温ストリームの塩分濃度の減少は、熱発電プロセスの間に温度が低下するにつれて沈殿する固体塩を減少させ、それによって汚染を低減し及び／又はその熱発電プロセスの効率を増加させることを意味する。
便宜上、地熱地層から抽出される温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換するプロセスは、以下、工程（ａ）ということができる。前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換するプロセスは、以下、工程（ｂ）ということができる。
本発明方法は、地熱地層から得られる温塩水ストリームを使用する。その温ストリームは、従来の掘削技術を使用して地盤から抽出され、一般に、工程（ａ）及び（ｂ）を実施する前に、あらゆる必要な前処理工程に供される。例えば、温ストリームの正確な性質に依存して、他の従来の方法と同様に、固体物質を除去するための濾過が必要な場合がある。
熱発電ユニットは、熱エネルギーを電気に変換するユニットとして定義することができる。地熱ストリーム中に含まれる熱エネルギーを電気に変換するために、任意の適切な手段を使用することができる。例えば、該ストリームは、熱交換器を備える熱発電ユニットを通過することができる。代替的に、特にストリームが非常に高温高圧の場合、熱発電ユニットは蒸気発生器を備えていてもよい。地熱ストリームからの蒸気は、蒸気発生器を駆動するために直接使用されてもよい。液相又は気相のいずれか、またはその両方に存在し得る温ストリームを取り扱う従来の手段は周知であり、このような手段はいずれも本発明で使用され得る。熱交換器の使用は、多くの状況において好ましく、特に、地熱地層から出てくる温塩水ストリームの初期温度が１５０℃未満の場合に好ましい。
地熱地層は、少なくとも４５℃、好ましくは少なくとも５５℃の温度を有する温塩水ストリームを生じ得る。例えば、地熱地層は、４５℃〜７０℃の間の温度を有する温塩水ストリームを生じ得る。温塩水ストリームを熱発電ユニットに通すことにより、前記ストリームの温度を少なくとも５０％低下させることができる。例えば、熱発電ユニットを通過させることにより、該ストリームの温度を４５℃〜７０℃の間から１５℃〜２０℃の間までに低下させることができる。
温塩水ストリームの塩分含量は、飽和までのいかなるものであってもよい。好ましくは、塩分含量は、少なくとも１０重量％、好ましくは少なくとも１５重量％、特に少なくとも２０重量％である。地熱源からの塩水ストリームは、塩化ナトリウムが優勢である多種多様な溶解塩を含有することができること、及び「塩分含量」は全塩分含量を指すことが理解されるであろう。このようなストリーム中に存在する塩の正確な性質は、重要ではない。
工程（ａ）については、温ストリームが熱発電ユニット、例えば１つ以上の熱交換器及び／又は蒸気発生器に通されて、電気に変換される熱エネルギーが抽出される。任意のタイプの従来の熱発電システムを使用することができる。工程（ａ）が工程（ｂ）の前に実行される場合、工程（ａ）からのアウトプットは冷却された塩水ストリームであり、これは工程（ｂ）のフィードとして使用される。 工程（ａ）が工程（ｂ）の後に実行される場合、工程（ａ）からのアウトプットは、必要に応じて、廃棄ストリームとして、例えば地熱地層への再注入によって、処理されるか、または隣接する海、川又は湖に、排出される。
工程（ｂ）は、浸透によって駆動され、潜在的浸透エネルギーを電気に変換する。浸透圧発電ユニットは、潜在的な浸透エネルギーを電気に変換する装置である。任意の適切な浸透圧発電ユニットを本発明の方法で使用することができる。そのようなユニットの重要な特徴は、水の通過は可能だが、溶解した塩の通過は許容しない半透膜の存在である。このような膜は市販されており、任意の適切な膜を使用することができる。さらに、新規なタイプの膜、例えば、水の通過は可能であるが他の物質を通さないタンパク質であるアクアポリンを含む、脂質又は両親媒性ポリマーマトリックスを基にした膜、を使用することができる。このような膜は、例えば、ＷＯ２００４／０１１６００、ＷＯ２０１０／０９１０７８、ＵＳ２０１１／００４６０７４及びＷＯ２０１３／０４３１１８に記載されている。その他の新規なタイプの膜としては、グラフェンをベースとする膜、例えば、Cohen-Tanugi et al, Nano Lett. 2012, 12(7), pp. 3602-3608及びO’Hern et al, Nano Lett. 2014, 14(3), pp. 1234-1241に記載されているものを、包含する。２つ以上の膜が存在してもよく、異なるタイプの膜の組み合わせが用いられてもよい。従って、浸透圧発電ユニットは、それぞれが半透膜を含む２つ以上の浸透ユニットを含むことができる。浸透圧発電ユニットは、少なくとも１つの膜と共に、浸透によって生成された圧力又は流れを電気に変換する手段を含むであろう。典型的には、この手段は、発電機に接続されたタービンであろうが、任意の適切な手段を使用することができる。
地熱地層に由来する塩水フィードストリームと共に、工程（ｂ）は、地熱地層に由来する塩水ストリームより低い塩分濃度を有する水ストリームであるフィードストリームを必要とする。このより低い塩分濃度のストリームは、任意の供給源から得ることができるが、典型的には、海水、例えば川又は湖から得られる淡水又は汽水、又は工業若しくは地方自治体の供給源から得られる廃水である。本発明方法の経済性は、地熱井（geothermal well）が、必要なストリームの供給及び廃棄ストリームの処理の両者が何れも容易かつ安価である、海、川又は湖に隣接して設置されている場合に特に有利である。本明細書を通じて、文脈上他の意味を必要としない限り、「より低い塩分濃度」は塩分濃度ゼロを含むと理解されるべきである。
従って、工程（ｂ）への初期のインプットは、１つのより高い塩分濃度のストリームと１つのより低い塩分濃度のストリームである。膜を通過した後、第１のストリーム（初期のより高い塩分濃度）は塩分濃度が減少し、第２のストリーム（初期のより低い塩分濃度）は塩分濃度が増加するであろう。膜の第１の通過分からのアウトプットストリームは、平衡時において、両者とも、元の温塩水ストリームよりも低い塩分濃度を有し、及び元のより低い塩分濃度のストリームよりも高い塩分濃度を有し、それらの２つのストリームは等しい塩分濃度を有するようになるであろうが、実際には達成されそうにない。従って、いずれかのアウトプットストリームは、元の膜の第２の通過分用の第１のストリーム又は第２のストリームのいずれかとして、又は第２の膜の第１のストリーム又は第２のストリームのいずれかとして、再利用することができる。これらの再利用ストリームは、単独で使用されてもよく、又は他のインプットストリームと併合されてもよい。地熱地層からの温塩水ストリーム中の高濃度の塩は、多段階浸透圧発電の利用を容易にすることができる。各工程は、各通過分の初期インプットストリーム間の塩分濃度の差に依存して、異なる圧力及び／又は流量（flux）の設定を有することができる。このように圧力及び／又は流量の設定を調整することは、特に多数の工程が地熱地層からの温塩水ストリームに使用される場合に、プロセスの効率を高めることができる。浸透ユニットからの流出ストリームが、初期のより低い塩分濃度のインプットストリームより高い塩分濃度を有する限り、追加の浸透ユニットを稼働することが可能である。最適サイクル数は、ストリームの初期内容物、膜の効率、及び選択された流速に依存するだろう。
工程（ｂ）が工程（ａ）の後に実施される場合、工程（ｂ）からの最終的なアウトプットは、膜の第１の側からの廃棄ストリーム及び膜の第２の側からの廃棄ストリームであり、これらのストリームは、 別々に処理されるか、又は併合される。廃棄ストリームは、必要に応じて、例えば、地熱地層への再注入によって処理することができ、又は隣接する海、川又は湖へ排出することができる。工程（ｂ）が工程（ａ）の前に実施される場合、工程（ｂ）からの最終的なアウトプットは、元の温塩水ストリームに由来する１つのストリームであり、それはこの時点で塩分が減少しているがまだ熱を保持しており、周囲温度より高い温度にあるだろう。次いで、このストリームを工程（ａ）のためのフィードとして使用する。
本発明方法の効率は、温塩水ストリームの初期の温度及び圧力、並びに該ストリームが含む塩の量及び性質に依存するだろう。方法の効率を決定するもう１つの重要な特徴は、半透膜の性能であり、最適化は、２つの要因：膜を通って得られる水の流量と、膜が塩を排除できる効率との組み合わせに依存するだろう。前記した、複数の浸透ユニットの使用も又、方法の全体的な効率に影響し得る。
図１に、本発明の一実施態様を概略的に示す。図１において、地熱源からの温塩水ストリーム１を、１つ以上の前処理工程２に通し、得られたストリーム３を熱交換器４に送る。熱交換器４では、図示しない従来の手段によって熱エネルギーが抽出され、最終的に電気に変換され、そして温塩水ストリーム３は冷却され、冷却された塩水ストリーム５として流出される。ストリーム５は浸透圧発電ユニット６に送られ、そこで、水は通過させるが塩は通過させない半透膜（図示せず）の一方の側に流れるようにされる。水ストリーム７は、ストリーム１、３及び５よりも低い塩分濃度であり、例えば、海水、川又は湖からの水、又は廃水であってもよいが、１つ以上の前処理工程８に通され、得られたストリーム９は、浸透圧発電ユニット６に送られ、そこで、該半透膜の他方の側に流れるようにされる。浸透圧発電ユニット６内では、ストリーム９から半透膜を介してストリーム５中に水が流れて、密閉された空間内の容積の増加により圧力が上昇し、この過剰圧力は、図示しない従来の手段によって、最終的に電気に変換される。浸透圧発電ユニット６からのアウトプットは、必要に応じて、例えばストリーム１が抽出された地熱地層への再注入、又はそこからストリーム７が抽出された例えば海、川又は湖である水源への再導入によって、１つ又は２つの水流出ストリーム１０及び／又は１１を形成する。
図２に、代替的な実施態様を示す。図２において、地熱源からの温塩水ストリーム１を、１つ以上の前処理工程２に通し、得られたストリーム３は浸透圧発電ユニット６に送られ、そこで、水は通過させるが塩は通過させない半透膜（図示せず）の一方の側に流れるようにされる。水ストリーム７は、ストリーム１及び３よりも低い塩分濃度であり、例えば、海水、川又は湖からの水、又は廃水であってもよいが、１つ以上の前処理工程８に通され、得られたストリーム９は、浸透圧発電ユニット６に送られ、そこで、該半透膜の他方の側に流れるようにされる。浸透圧発電ユニット６内では、ストリーム９からストリーム３中に、水が流れて、密閉された空間内の容積の増加により圧力が上昇し、この過剰圧力は、図示しない従来の手段によって、最終的に電気に変換される。浸透圧発電ユニット６からの流出ストリーム１２は、ストリーム９から半透膜を通る水の通過によって体積が増加したインプットストリーム３に対応する。ストリーム１２は、依然として周囲温度より高温で、熱エネルギーを抽出する手段、例えば熱交換器４に通される。熱交換器４では、図示しない従来の手段によって熱エネルギーが抽出され、最終的に電気に変換される。高温のストリーム１２は冷却され、ストリーム１１として流出する。流出ストリーム１０及び１１は、必要に応じて、例えばストリーム１が抽出された地熱地層への再注入、又はそこからストリーム７が抽出された例えば海、川又は湖である水源へ再導入される。
図３は、本発明による発電システムにおいて、複数の浸透ユニット６ａ、６ｂ及び６ｃが直列に接続された、図１のプロセスの変形を示す。図３において、記号１〜５、７、８及び１０は、図１において示した意味を有する。各浸透ユニット６ａ、６ｂ及び６ｃは、水の通過は可能であるが、塩の通過は不可能である半透膜を含む（図示せず）。元の高い塩分濃度の塩水ストリーム５は、半透膜の一方の側に流れ、一方、低い塩分濃度の塩水ストリーム９ａは他方の側に流れる。元の地熱インプットストリーム３及び５の塩分含量よりも低い塩分含量を有する浸透ユニット６ａからのアウトプットストリーム１１ａは、第２の浸透ユニット６ｂに供給され、そこで半透膜の一方の側を通過する。比較的低い塩分濃度の水の第２のインプットストリーム９ｂは、１つ以上の前処理工程８を通過した後の元の水ストリーム７から得られる。ストリーム１１ａと９ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム５と９ａとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。元の地熱インプットストリーム３及び５の塩分含量よりも低く、且つストリーム１１ａよりも低い塩分含量を有する浸透ユニット６ｂからのアウトプットストリーム１１ｂは、第３の浸透ユニット６ｃに供給され、そこで、比較的低い塩分含量の水である更なるインプットストリーム９ｃから、半透膜の他方の側を通過する。ストリーム１１ｂと９ｃとの塩分濃度の差は、ストリーム５と９ａとの塩分濃度の差又はストリーム１１ａと９ｂとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。図３のプロセスからのアウトプットストリームは、水流出ストリーム１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１１ｃであり、これらのストリームは、必要に応じて処理することができる。
図４は、比較的低い塩分濃度のインプットストリーム９ａ、９ｂ及び９ｃが、それぞれ１つ以上の前処理工程８ａ、８ｂ及び８ｃを受け、別々のインプットストリーム７ａ、７ｂ及び７ｃとして供給される、図３の変形例を示す。
図５は、アウトプットストリームが異なる方法で処理される、図４の変形例を示す。浸透ユニット６ａからの流出ストリーム１０ａ及び１１ａが合流され、合流されたストリームの少なくとも一部が、浸透ユニット６ｂへのインプットストリーム１２として供給される。合流されたストリーム１２は、元の地熱インプットストリーム３及び５の塩分含量よりも低い塩分含量を有し、ストリーム１２と９ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム５と９ａとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。同様に、浸透ユニット６ｂからの流出ストリーム１０ｂ及び１１ｂが合流され、合流されたストリームの少なくとも一部が、浸透ユニット６ｃへのインプットストリーム１３として供給される。
図３、４及び５は、それぞれが半透膜を含む３つの浸透ユニットからなる浸透圧発電ユニットを示していると理解されるだろうが、任意の適切な数のユニットを使用することができ、その選択は技術的及び経済的な要因の組合せによって、決定される。一般に、温塩水ストリーム１の初期の塩分濃度が高いほど、使用可能な浸透ユニットの数が多くなる。
図６は、図１及び２の浸透圧発電ユニット６の更なる詳細を示す。地熱源（例えば、図１のストリーム３又は図２のストリーム５であってもよい）からの塩水インプットストリーム２０は、水は通過させるが塩は通過させない半透膜２２を含む浸透ユニット２１に通され、膜２２の一方の側に流れる。水ストリーム２３は、ストリーム２０よりも低い塩分濃度であり、浸透ユニット２１に入って、膜２２の他方の側に流れる。矢印２４は、膜２２を横切る浸透による水輸送の方向を示す。この時点でより高濃度の塩を含む、元のインプットストリーム２０からなるアウトプットストリーム２５は、浸透ユニット２１を出る。この時点でより低濃度の塩を含む、元のインプットストリーム２０からなるアウトプットストリーム２６は、発電機２８を駆動して発電するタービン２７を介して、浸透ユニット２１を出る。
Claims (19)
- 下記工程を含む発電方法：
−地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程、及び
−水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させる、浸透圧発電ユニットに、前記ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換させる工程、
ここで、前記温塩水ストリームが浸透圧発電ユニットに入る前に、前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換させる熱発電ユニットを通過させることによって、前記ストリームの温度を低下させるので、熱発電ユニットのアウトプットは冷却された塩水ストリームであり、この冷却された塩水ストリームは地熱地層から抽出された温塩水ストリームに比べてより低温である。
- 温塩水ストリームの温度を、前記ストリームを熱交換器に通すことによって低下させる請求項１に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも４５℃の温度を有する請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも５５℃の温度を有する請求項３に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも１０重量％の塩分含量を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも１５重量％の塩分含量を有する請求項５に記載の方法。
- より低い塩分濃度の水ストリームが、海水、河川又は湖から得られた淡水又は汽水、又は工業若しくは地方自治体の供給源から得られた廃水である請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 浸透圧発電ユニットが、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜をそれぞれ含む、１つ以上の浸透ユニットを含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- １つの浸透ユニットからのアウトプットストリームが、第２の浸透ユニットのためのインプットストリームとして使用される請求項８に記載の方法。
- 下記を含む発電システム：
−地熱地層から抽出された温塩水ストリームへの接続、
−高い塩分濃度のインプットストリームと低い塩分濃度のインプットストリームとの塩分濃度の差異を用いて、圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して電気を発生させるように配置された浸透圧発電ユニット、及び
−前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出することで冷却されたアウトプットストリームを生じ、電気を生成するように配置された熱発電ユニット、
ここで、当該システムは、熱発電ユニットの冷却されたアウトプットストリームを、高い塩分濃度のインプットストリームとして使用するために浸透圧発電ユニットに通すように配置されるので、熱発電ユニットのアウトプットは冷却された塩水ストリームであり、この冷却された塩水ストリームは地熱地層から抽出された温塩水ストリームに比べてより低温である。
- 地熱地層から温塩水ストリームを抽出することを含む発電方法であって、下記を含む方法：
（ａ）前記ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換させること；及び
（ｂ）水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜の一方の側に前記ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記ストリームよりも低い塩分濃度の水ストリームを通過させる、浸透圧発電ユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、電気に変換させること、
ここで、工程（ｂ）が工程（ａ）の前に行われることによって、工程（ａ）のためのフィードとして使用される工程（ｂ）からのアウトプットストリームの塩分が減少している。
- 工程（ａ）が、前記ストリームを熱交換器に通すことによって行われる請求項１１に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも４５℃の温度を有する請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも５５℃の温度を有する請求項１３に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも１０重量％の塩分含量を有する請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
- 温塩水ストリームが、少なくとも１５重量％の塩分含量を有する請求項１５に記載の方法。
- 工程（ｂ）で使用される低い塩分濃度の水ストリームが、海水、河川又は湖から得られた淡水又は汽水、又は工業若しくは地方自治体の供給源から得られた廃水である請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
- 浸透圧発電ユニットが、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜をそれぞれ含む、１つ以上の浸透ユニットを含む、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
- １つの浸透ユニットからのアウトプットストリームが、第２の浸透ユニット用のインプットストリームとして使用される、請求項１８に記載の方法。
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