JP7135094B2 - 生産性地熱井からの閉ループエネルギー生成 - Google Patents
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Description
本発明は、概して、地熱貯留層からエネルギーを回収するための装置および方法に関する。より具体的には、本発明は、非生産性地熱井の生産性を高め、生産性がわずかである地熱井、またはさらには生産性地熱井の生産性を増大させるための装置および方法に関する。
温室効果ガスの影響が明らかになるにつれ、再生可能エネルギー資源のさらなる開発がより重要視されてきている。太陽光および風力による電力は断続的であり、送電網に問題を引き起こし、これに対処するためには高価な貯蔵ソリューションが必要である。対照的に、地熱エネルギーから生成される電力は、柔軟に送出することができるベースロード電力である。それにもかかわらず、地熱発電は十分に活用されていない。このように十分に活用されていない主な理由は、適切な熱水資源を見つけ、上首尾の熱水井を掘削するための費用が高いことである。そのような資源に掘削される多くの坑井は、わずかしか成功せず、非凝縮性ガスが多すぎ、単純に電力変換システムに接続するのに十分強力ではないか、または、最初は成功しても、時間の経過とともに相当の発電能力を失う。
一態様では、本明細書において開示される実施形態は、地熱貯留層から流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのシステムに関する。システムは、地熱貯留層から生成された流体を生成導管出口に輸送するための外側生成導管と、外側生成導管内に配置された熱交換器であって、熱交換器は、外側熱交換導管および内側導管を備える、熱交換器と、ポンプおよび/または熱サイフォンによって、外側熱交換導管を通して内側導管へと(または反対方向に)作動流体を循環させるための作動流体循環システムとを含むことができる。システムはまた、内側導管から回収される、加熱された作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換するためのエネルギー利用または変換システムを含むことができる。
地熱貯留層では、高温の流体は一般的に非常に高い圧力にさらされており、この圧力の原因は、岩石表土(地盤圧力)、地下水面(静水圧)、またはこの2つの何らかの組み合わせである。蒸気および/または塩水から構成される地熱流体は、地熱貯留層から坑井を介して生成されるため、圧力の低下を受ける。実際、この圧力差が、地熱蒸気または塩水を地表に押しやるものである。蒸気または塩水の圧力およびエンタルピーに応じて、蒸気または塩水は、坑井を上昇するときに、膨張またはフラッシュして気化ガスになり得る。これは、生成流体のエンタルピーに悪影響を与えないが、生成される蒸気と塩水との混合物の温度が低下する。バイナリシステムにおいて一般的に使用されているように、地表のみで熱交換器がこの熱を別の作動流体に伝達するために使用される場合、作動流体は地表の塩水および蒸気の温度より高温にすることはできない。これにより、生成することができる電力量が制限される。
Claims (44)
- 地熱貯留層から流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのシステムであって、
前記地熱貯留層から生成された生成流体を生成導管出口に輸送するための外側生成導管と、
前記外側生成導管内に配置された熱交換器であって、前記熱交換器は、外側熱交換導管および内側導管を備える、熱交換器と、
ポンプおよび/または熱サイフォンによって、前記外側熱交換導管を通して前記内側導管へと(または反対方向に)作動流体を循環させるための作動流体循環システムと、
前記内側導管から回収される、加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換するためのエネルギー利用または変換システムと、
を備える、システム。 - 前記システムは、人工リフトシステムをさらに備え、前記人工リフトシステムは、
リフトガスを前記外側生成導管に注入し結果、前記生成流体を前記外側熱交換導管の周りで持ち上げ、前記外側熱交換導管内の前記作動流体を間接的に加熱するガス注入パイプ、
潜液ポンプ、または、
潜液ポンプとガス注入パイプの両方、
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記作動流体または第2の作動流体を、前記地熱貯留層から生成され、前記生成導管出口を介して回収される流体によって加熱するための第2の熱交換器と、
任意選択的に、回収される、加熱された前記第2の作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換するための第2のエネルギー利用または変換システムと、
をさらに備える、請求項2に記載のシステム。 - 前記作動流体は、亜臨界相および超臨界相を含む、任意の相または相の組み合わせの水を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記作動流体は、前記生成流体または改質された前記生成流体を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記改質された生成流体は、再調整された地熱塩水を含む、請求項5に記載のシステム。
- 前記作動流体は、亜臨界相および超臨界相を含む、任意の相または相の組み合わせの炭化水素または冷媒である、請求項1に記載のシステム。
- 前記リフトガスが非凝縮性ガスを含む、請求項2に記載のシステム。
- 前記非凝縮性ガスが、窒素、二酸化炭素、空気、天然ガス、メタン、または上記の組み合わせを含む、請求項8に記載のシステム。
- 前記生成流体から前記リフトガスを分離するための分離システムをさらに備える、請求項2に記載のシステム。
- 前記ガス注入パイプを使用して、分離された前記リフトガスを再注入するためのリフトガス循環システムをさらに備える、請求項10に記載のシステム。
- 地熱貯留層から流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのプロセスであって、
生成流体を前記地熱貯留層から外側生成導管を通して生成導管出口に輸送することと、
作動流体を、前記外側生成導管内に配置された熱交換器を通って循環させることであって、前記熱交換器は、外側熱交換導管および内側導管を備え、前記循環させることは、低温の作動流体を前記外側熱交換導管に供給することと、加熱された作動流体を前記内側導管から回収することとを含む、循環させることと、
前記内側導管から回収される、加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換して、熱出力または電力を提供することと、
を含む、プロセス。 - 前記作動流体は、亜臨界相および超臨界相を含む、任意の相または相の組み合わせの水を含む、請求項12に記載のプロセス。
- 前記作動流体は、前記生成流体または改質された前記生成流体を含む、請求項12に記載のプロセス。
- 前記改質された生成流体は、再調整された地熱塩水を含む、請求項14に記載のプロセス。
- 前記作動流体は、亜臨界相および超臨界相を含む、任意の相または相の組み合わせの炭化水素または冷媒である、請求項12に記載のプロセス。
- リフトガスを地熱貯留層に近接する前記外側生成導管に注入し、結果、前記生成流体を前記外側熱交換導管の周りで持ち上げ、前記外側熱交換導管内の前記作動流体を間接的に加熱すること、
潜液ポンプを介して前記生成流体を圧送すること、または、
上記の両方、
を介して前記生成流体を持ち上げることをさらに含む、請求項12に記載のプロセス。 - 前記リフトガスが非凝縮性ガスを含む、請求項17に記載のプロセス。
- 前記非凝縮性ガスが、窒素、二酸化炭素、空気、天然ガス、メタン、または上記の組み合わせを含む、請求項18に記載のプロセス。
- 前記生成流体から前記リフトガスを分離することをさらに含む、請求項17に記載のプロセス。
- ガス注入パイプを使用して、分離された前記リフトガスを再注入するためのリフトガス循環システムをさらに備える、請求項20に記載のプロセス。
- 前記熱交換器は、前記作動流体が熱サイフォン効果を介して完全にまたは部分的に循環するように構成される、請求項12に記載のプロセス。
- 地熱貯留層から流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのプロセスであって、
地熱貯留層から生成導管を介して生成流体を生成することと、
前記生成流体または前記生成流体の一部を含む作動流体を、前記生成導管内に配置されたダウンホール熱交換器を通して循環させて、前記生成流体との間接熱交換を介して前記作動流体を加熱することと、
前記内側導管から回収される、加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換して、熱出力または電力を生成することと、
を含む、プロセス。 - 前記循環させるステップにおいて前記生成流体を使用する前に、前記生成流体から塩、シリカ、スケール、および/または金属を除去することをさらに含む、請求項23に記載のプロセス。
- 前記生成流体から溶解ガスを分離することをさらに含む、請求項23に記載のプロセス。
- 前記生成流体を人工的に持ち上げることをさらに含む、請求項23に記載のプロセス。
- 前記人工的に持ち上げることが潜液ポンプを含むシステムによって実行される、請求項26に記載のプロセス。
- 前記人工的に持ち上げることは、リフトガスを前記生成導管に注入することをさらに含む、請求項27に記載のプロセス。
- 前記人工的に持ち上げることは、リフトガスを前記生成導管に注入することを含む、請求項26に記載のプロセス。
- 前記生成流体から溶解ガスおよび/またはリフトガスを分離することをさらに含む、請求項29に記載のプロセス。
- 地熱貯留層から流体を生成し、電力または電気を生成するためのシステムであって、
地熱貯留層から生成導管を介して生成流体を生成するための生成導管と、
前記生成流体または前記生成流体の一部を含む作動流体を、前記生成流体との間接熱交換を介して加熱するように構成されている、前記生成導管内に配置されているダウンホール熱交換器と、
加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換して、熱出力または電力を生成するためのエネルギー使用または変換システムと、
を備える、システム。 - 前記生成流体から塩、シリカ、スケール、および/または金属を除去するための分離システムをさらに備える、請求項31に記載のシステム。
- 前記生成流体から溶解ガスを分離するための分離システムをさらに備える、請求項31に記載のシステム。
- 前記生成流体を前記貯留層から人工的に持ち上げるための人工リフトシステムをさらに備える、請求項31に記載のシステム。
- 前記人工リフトシステムが潜液ポンプを含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記人工リフトシステムが、リフトガスを前記生成導管に注入するためのリフトガス注入パイプをさらに備える、請求項35に記載のシステム。
- 前記人工リフトシステムが、リフトガスを前記生成導管に注入するためのリフトガス注入パイプを備える、請求項34に記載のシステム。
- 前記生成流体から溶解ガスおよび/またはリフトガスを分離するための分離システムをさらに備える、請求項37に記載のシステム。
- 蒸気を含む地熱貯留層から作動流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのシステムであって、
前記貯留層に対して開いた裏打ち坑井または孔から構成される、外側生成導管内に配置された熱交換器であって、前記熱交換器は、外側熱交換導管および内側導管を備える、熱交換器と、
(a)前記外側熱交換導管を通って前記内側導管に、または(b)前記内側熱交換導管を通って前記外側熱交換導管に作動流体を循環させるための作動流体循環システムと、
前記熱交換器の前記外側熱交換導管の表面において蒸気を水に凝縮させ、有意な密度差を引き起こし、結果として凝縮した前記蒸気が前記貯留層に深く流れ込むようにし、結果、蒸気が地熱資源のより深いところから前記導管に向かって流れ、伝導加熱に移流加熱を追加するように構成されている、前記熱交換器の前記作動流体の流速を制御するための測定および制御システムと、
蒸気が、障壁下で前記熱交換器の前記外側熱交換導管の表面において水に凝縮することなく、前記熱交換器の前記外側熱交換導管の周りの環状部を上昇するのを防ぐように構成されている、前記坑井と前記熱交換器の前記外側熱交換導管の間の前記環状部に配置されている1つまたは複数のプラグまたは他の障壁のシステムと、
熱出力または電力のために地表において前記熱交換器から回収される、加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換するためのエネルギー利用または変換システムと、
を備える、システム。 - 他の障壁のプラグの上方で、前記坑井または開放ボアホールのケーシングと前記熱交換器の前記外側熱交換導管との間に設置される、ガス、断熱材または他の充填材料から成るシステムをさらに備える、請求項39に記載のシステム。
- 蒸気を含む地熱貯留層から作動流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのプロセスであって、
前記貯留層に対して開いた裏打ち坑井または孔から構成される熱交換器を、外側生成導管内に配置することであって、前記熱交換器は、外側熱交換導管および内側導管を備える、配置することと、
作動流体を、前記外側熱交換導管を通って前記内側導管へと、または逆に循環させることと、
前記熱交換器内の前記作動流体の流速を、前記熱交換器の前記外側熱交換導管の表面において蒸気が水に凝縮し、有意な密度差を引き起こし、結果として凝縮した前記蒸気が前記貯留層に深く流れ込むようにし、結果、蒸気が地熱資源のより深いところから前記導管に向かって流れ、伝導加熱に移流加熱を追加するように、制御することと、
前記環状部内の1つまたは複数のプラグまたは他の障壁を、前記坑井と前記熱交換器の前記外側熱交換導管との間に配置することであって、結果、蒸気が、前記障壁下で前記熱交換器の前記外側熱交換導管の表面において水に凝縮することなく、前記熱交換器の前記外側熱交換導管の周りの前記環状部を上昇することが防止される、配置することと、
熱出力または電力のために地表において前記熱交換器から回収される、加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換することと、
ガス、断熱材または他の充填材料を、他の障壁のプラグの上方で、前記坑井または開放ボアホールのケーシングと前記熱交換器の前記外側熱交換導管との間に設置することと、
を含む、プロセス。 - 乾燥蒸気を含む地熱貯留層から流体を生成し、電力または電気または他の変換技術を生成するためのシステムであって、
外側生成導管内に配置された熱交換器、および前記貯留層への密閉されたまたは開いた孔であって、前記熱交換器は、外側熱交換導管および内側導管を備える、熱交換器および孔と、
作動流体を前記外側熱交換導管を通して前記内側導管へと循環させるための作動流体循環システムと、
前記外側熱交換器導管の表面において蒸気が水に凝縮し、有意な密度差を引き起こし、結果として凝縮した前記蒸気が前記貯留層に深く流れ込むようにし、結果、蒸気が前記導管に向かって流れるようにするポンプ速度を制御するように構成されているコントローラと、
前記内側導管から回収される、加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを熱出力または電気に変換するためのエネルギー変換システムと、
蒸気が凝縮し、過熱蒸気中の塩化物または他の化学物質が凝縮蒸気と反応してHClまたは他の腐食性化学物質を生成することにより腐食性になる可能性を減らすために、前記外側生成導管のケーシングと前記外側熱交換導管との間に配置されるガスまたは他の充填材と、
を備える、システム。 - 地熱貯留層から流体を生成し、熱出力または電力を生成するためのシステムであって、
リフトガスを生成導管に連続的に注入し、結果、生成流体を持ち上げ、リフトガスと生成流体との混合物を前記地熱貯留層から生成導管出口へと輸送するためのガス注入パイプと、
前記混合物によって作動流体を加熱するための熱交換器と、
前記熱交換器を通して前記作動流体を循環させるための作動流体循環システムと、
加熱された前記作動流体に含まれるエネルギーを使用または変換するためのエネルギー利用または変換システムと、
を備える、システム。 - 前記生成流体から熱を抽出するための下げ孔熱交換器をさらに備える、請求項43に記載のシステム。
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