JP7252952B2 - パワー生成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー生成方法（process for power generation）に関する。具体的には、地熱源（geothermal sources）から得られた温塩水ストリーム(warm saline streams)からパワーを生成することに関する。
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、多くの努力が向けられている。特定されている可能性のある再生可能エネルギー源には、地熱エネルギー及び潜在的浸透エネルギーが含まれ、これらの源（sources）からのパワー生産のためのさまざまなスキームが提案されている。しかしながら、そのようなスキームを商業的に実行可能にするために、そのようなスキームの効率を高める必要性が残されている。従って、地熱パワー源及び／又は浸透圧パワー源からパワーを抽出する、より効率的な方法を特定することが有利であろう。
ＷＯ２０１６／０３７９９９は、地熱地層（geothermal formation）から温塩水ストリーム(warm saline stream)を抽出すること、及び（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し、及び（ｂ）浸透圧パワーユニット（osmotic power unit）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することを含む発電方法を開示している。同一の源から２つの異なるタイプのエネルギーを抽出することで予想される発電量の増加に加えて、ＷＯ２０１６／０３７９９９は、如何に、２つのエネルギー抽出プロセスが互いに補完しあって、地熱地層からの温塩水ストリームのある種の特性に起因する各プロセスの非効率性を低減するかについて論じている。この特性には、このようなストリームの高塩分含量が熱パワーユニット（thermal power unit）の汚染を引き起こすことやこのようなストリームの高温度が市販の浸透膜の動作効率及び／又は寿命を低下させることが含まれる。そのようなプロセスの経済性を改善する方法を特定することは有益であろう。
ＷＯ２０１６／０３７９９９
本発明は、上記で挙げた諸問題を軽減しようとするものである。代替的又は追加的に、本発明は、改善されたパワー生成方法を提供しようとするものである。
一つの側面において、本発明は、下記工程を含むパワー生成方法を提供する：地熱地層（geothermal formation）から温塩水ストリーム(warm saline stream)を抽出する工程；及び、水は通過させるが塩は通過させない半透膜の一方の側に前記温塩水ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記温塩水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、浸透圧ポンプユニット（osmotic pump unit）に、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、前記温塩水ストリームの総圧（total pressure）の増加に変換する工程、
ここで：浸透圧ポンプユニットからのアウトプットが、前記温塩水ストリームに由来するより高圧のストリームであり、及びより低圧のストリームを圧力交換器の一方の側に通過させ、前記のより高圧のストリームを圧力交換器の他方の側に通過させることによって、より低圧のストリームの総圧を増加させる工程を更に含む。
一つの側面において、本発明は、下記工程を含むパワー生成方法を提供する：地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程；熱パワーユニット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熱エネルギーを抽出する工程；及び、水は通過させるが塩は通過させない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、浸透圧ポンプユニットに、前記温塩水ストリームを通過させて、より高い圧力のアウトプットストリームを生成する工程。
一つの側面において、本発明は、下記工程を含むパワー生成方法を提供する：地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程；熱パワーユニット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熱エネルギーを抽出する工程；及び、水は通過させるが塩は通過させない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、浸透圧ポンプユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを用いて電気を生成することに代えて又は生成すると共に、前記温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、前記温塩水ストリームの総圧の増加に変換する工程。
一つの側面において、本発明は、下記を含むパワー生成システムを提供する：地熱地層から抽出された温塩水ストリームへの接続；高塩分インプットストリームと低塩分インプットストリームとの間の塩分濃度の差を利用して、前記温塩水ストリームに由来する高塩分インプットストリームの総圧を増加させ、それにより高圧アウトプットストリームを生成するように配置された浸透圧ポンプユニット；及び低圧ストリームを圧力交換器の一方の側に通過させ、前記の高圧アウトプットストリームを圧力交換器の他方の側に通過させることによって、低圧ストリームの総圧を増加させるように配置された圧力交換器。
勿論、本発明の一側面に関連して説明された特徴は、本発明の他の側面に組み込まれてもよいことが理解されるであろう。例えば、本発明の方法は、本発明の装置を参照して説明された特徴のいずれかを組み込むことができ、逆もまた同様である。
本発明の実施態様は、添付の以下の概略図を参照して、単に例として説明される。
本発明の実施態様の第一の例によるパワー生成方法の概略図を示す。 本発明の実施態様の第二の例によるパワー生成方法の概略図を示す。 本発明の実施態様の第三の例によるパワー生成方法の概略図を示す。 本発明の実施態様の第四の例によるパワー生成方法の概略図を示す。 多数の浸透ユニット（osmosis units）が使用されている図１の変形例を示す。 代替的インプットストリームを用いた図５の変形例を示す。 代替的アウトプットストリームを用いた図６の変形例を示す。 本発明の方法で用いるための浸透圧ポンプユニットを示す。
詳細な説明
本発明の一つの側面において、下記工程を含むパワー生成方法が提供される：地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程；及び、水は通過させるが塩は通過させない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、浸透圧ポンプユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記温塩水ストリームの総圧を増加させる工程。潜在的浸透エネルギーを利用して電気を生成する従来技術の方法とは対照的に、本発明の方法は、潜在的浸透エネルギーを利用してストリームをポンピング（例えば、エネルギーを増加）させて、その温塩水ストリームに由来するより高い圧力のアウトプットストリームを供給する。このようにして、温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを利用して電気を生成する代わりに、又はそれと共に、この方法は、温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを利用して温塩水ストリームの総圧を増加させることを含み得る。温塩水ストリームの総圧の増加は、後続のプロセスの工程での機械的なポンピングの必要性を減らすことができる。従って、この方法は、この方法の他の段階での機械的ポンプによる仕事を相殺するために、前記温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを利用することを含むことができる。この方法は、その発電プロセスの非効率性のために潜在的な浸透エネルギーを電気に変換するＷＯ２０１６／０３７９９９に記載されているようなシステムより効率的なシステム（例えば、より大きな正味エネルギーの利得）を生成するシステムをもたらし得る。
総圧（Ｐ０）は次の様に定義できる：
Figure 0007252952000001
 ここで、ｐは静圧（static pressure）であり、ｑは動圧（dynamic pressure）であり、ρは流体（fluid）の密度であり、ｇは重力による加速度（acceleration due to gravity）であり、ｈは基準面（datum）上の高さである。動圧は次の様に定義できる：
Figure 0007252952000002
 ここで、ｖは流体の速度である。従って、浸透圧ポンプユニットの直ぐ上流の塩ストリームの総圧は、水フィードストリームから塩ストリームへの膜を横切る水の流れの結果として、浸透圧ポンプユニットの直ぐ下流の総圧より大きくなり得る。
塩ストリームの総圧を増加させると、体積流量（volumetric flow rate）（即ち、単位時間当たりに通過する液体の体積）及び／又は質量流量（mass flow rate）（即ち、単位時間当たりに通過する物質の質量）に対応する増加が生じ得ることが理解されよう。従って、浸透圧ポンプユニットの直ぐ上流の塩ストリームの体積流量及び／又は質量流量は、浸透ポンプユニットの直ぐ下流の塩ストリームの体積流量及び／又は質量流量よりも小さくてもよい。
浸透圧ポンプユニット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を含む。その２つのストリームが膜を通過すると、より低い塩分濃度のストリームからの水が膜を横切ってより高い塩分濃度のストリームに流れ、それにより前記ストリームの総圧が増加する。つまり、ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーは、ポンプユニットを通過することによって、総圧の増加に変換される。浸透圧ポンプユニットからの２つのアウトプットは、（より低圧の）より高い塩分濃度のストリームに由来するより高圧のストリームと、より低い塩分濃度のストリームに由来するストリームとを含み得る。「より高い圧」という用語は、浸透圧ポンプユニットにインプットされる高い塩分濃度のストリームの総圧に対する浸透ポンプユニットからのアウトプットストリームの総圧を指すことが理解されよう。膜を通過した後、最初のストリーム（初期のより高い塩分濃度）の塩分濃度が減少する一方で、第２のストリーム（初期のより低い塩分濃度）の塩分濃度が増加するであろう。
浸透圧ポンプユニットのより高圧のアウトプットストリームの少なくとも一部、例えば全部は、再注入井（re-injection well）から地面中に注入することができる。再注入井は、従来の技術を使用して作成することができる。このようにして、浸透圧ポンプユニットを通過することによって、塩ストリームの総圧が増加した後、この方法は、ストリームの少なくとも一部を地下地層中に注入することを含み得る。浸透圧ポンプユニットによって行われた仕事の結果としてのストリームの総圧の増加は、地下にストリームを注入するのに必要な仕事の量を減らし、それによりこの方法の全体的な効率を高めることができる。従って、この方法は、水は通過させるが塩は通過させない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、浸透圧ポンプユニットに、前記ストリームを通過させることによって、前記ストリームの総圧を増加させることを含むことができ、地下地層中への前記ストリームの注入中の機械的ポンピングの必要性が低減されるようにする。
この方法は、（浸透圧ポンプユニットを通過後の低塩分ストリームに由来する）水排出ストリームを地下地層中に注入することも含み得る。代替的に、水排出ストリームは、例えば水フィードストリームを得た源である川又は湖に戻すことができる。
浸透圧ポンプユニットによってアウトプットされるより高圧のストリームの少なくとも一部、例えば全部は、圧力交換器を通過してもよい。圧力交換器は、前記ストリームの総圧を増加させるために、エネルギーをより高圧のストリームからより低圧のストリームに伝達するように構成されてもよい。低圧ストリームの圧力を増加させると、そのストリームが利用されるプロセスの効率を上げることができる。例えば、低圧ストリームの圧力が増加すると、所定の流量を達成するために別のプロセスで必要なポンプ仕事量を減少させることができる。従って、この方法は、水は通過させるが塩は通過させない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、浸透圧ポンプユニットに、前記ストリームを通過させることによって、前記ストリームの総圧を増加させることを含むことができ、次いで、そのように生成されたより高圧のストリームを利用して別のストリームの総圧を増加させて、圧力が増加したストリームを生成する。圧力が増加したストリームは、脱塩プラントで利用できる。この方法は、塩ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを、前記ストリームの総圧の増加に変換し、次いで、前記総圧で表されるエネルギーを利用して、第２の異なるストリームに働きかけてそのストリームの圧力を増加させることを含むことができる。
浸透圧ポンプユニットによってアウトプットされるより高圧のストリームの少なくとも一部、例えば全部は、別のストリームと混合されてもよい。浸透圧ポンプユニットを通過することにより塩ストリームの総圧が増加した後、この方法は、前記ストリームを別のストリームと混合することを含むことができる。
この方法は、例えば熱パワーユニットを通過させることにより、前記温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを抽出する工程を含んでもよい。前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出する工程は、前記ストリーム中に存在する熱エネルギーが電気又は熱に変換される熱パワーユニットを通過させることにより、前記温塩水ストリームの温度を下げることを含み得る。
温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出するために、任意の適切な手段を使用することができる。そのストリームを、熱交換器を備えた熱パワーユニットに通過させることができる。そのストリームを、蒸気発生器を含む熱パワーユニットに通過させることができる。温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出することは、熱エネルギーを電気又は熱に変換することを含むことができる。
この方法は、熱交換器を含む熱パワーユニットにストリームを通過させることにより、温塩水ストリームから熱の形で熱エネルギーを抽出することを含むことができる。この方法は、地域暖房システムでそのように生成された熱を利用することを含むことができる。例えば、熱パワーユニットは、温塩水ストリームから地域暖房システムの循環流体に熱を伝達するように構成されてもよい。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。
この方法は、蒸気発生器を含む熱パワーユニットに温塩水ストリームを通過させることにより、温塩水ストリームからの熱エネルギーを電気に変換することを含むことができる。特に、ストリームが非常に高温高圧の場合、地熱ストリームからの蒸気を直接利用して蒸気発生器を駆動することができる。液相又は気相のいずれか、又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。
この方法は、ポンプ、例えば機械式ポンプを通過させることにより、より高圧のストリームの総圧をさらに増加させることを含むことができる。
状況によっては、高塩分ストリームと低塩分ストリームの間の塩分勾配（又は浸透圧勾配）を利用して、高塩分ストリームの総圧を高め、電気を生成することが有益な場合がある。従って、浸透圧ポンプユニットにストリームを通過させることに加えて、この方法は、水は通過させるが塩は通過させない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水フィードストリームに由来する低塩分ストリームを通過させる、浸透圧ポンプユニットに、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することを含むことができる。代替的に、この方法は、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ことを含まないこともあり得る。
地熱地層は、少なくとも４５℃、好ましくは少なくとも５５℃、例えば少なくとも７０℃の温度を有する温塩水ストリームを生じ得る。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厳密な性質は、重要ではない。同様に、（より）高塩分濃度と（より）低塩分濃度という用語は、対応する「塩分含有量」を持つストリームを指すためにここで使用される。そのようなストリーム中に存在する塩の厳密な性質は重要ではない。浸透膜の低塩分側と高塩分側の間の１重量％の塩分濃度差は、１０バール（bar）の浸透圧差を与える可能性がある。従って、浸透圧ポンプユニットの直ぐ上流のより高塩分のストリームの流路上の点と浸透圧ポンプユニットの直ぐ下流の点との間の合計圧力差は、１０バールより大きく、例えば２０バールより大きくてもよく、例えば５０バールを超える。この圧力差は、少なくとも部分的に、インプットストリームの塩分濃度と膜の圧力抵抗に依存するだろうことが理解されよう。
便宜上、地熱地層から抽出された温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを抽出するプロセスは、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総圧の増加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利用する。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／又は（ｂ）の前に、あらゆる必要な前処理工程に供される。例えば、温ストリームの厳密な性質に依存して、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。一部の地熱ストリームは非常に多く塩分を含んでおり、工程（ａ）を工程（ｂ）の前に実行する場合、工程（ａ）を実行する前に、温度が低下して個体塩が沈殿するのを防ぐために、塩分を減らしておく必要がある場合がある。
本発明方法の工程（ａ）は、熱エネルギーを電気又は熱に変換し、一方本発明方法の工程（ｂ）は、前記ストリームと水フィードストリームとの間の塩分勾配を利用してストリームの総圧を増加させる。工程（ａ）及び（ｂ）は、塩ストリームの流路に沿って、又は流路の同じポイントで、いずれの順序でも実行できる。工程（ａ）が最初に実行される場合（例えば、工程（ｂ）の上流）、工程（ａ）からのアウトプットは、工程（ｂ）の浸透圧ポンプユニットに渡される冷却された塩水ストリームである。工程（ｂ）が最初に実行される場合（例えば、工程（ａ）の上流）、工程（ｂ）からのアウトプットは、工程（ａ）に渡される塩分が減少した温ストリームである。好ましくは、工程（ａ）が最初に実行される。いくつかの実施態様では、工程（ａ）及び（ｂ）は同時に実行される：そのような実施態様では、浸透圧ポンプユニットは、例えば熱交換器等の温ストリーム中に存在する熱を利用するための装置の一部を形成するか又はそのような装置が浸透圧ポンプユニットの一部を形成する。温塩水ストリームが半透膜の表面上を通過すると同時に、そのストリームから熱が除去され、水が高塩分ストリーム中に流れ込み、それによってそのストリームの総圧が増加する。
工程（ａ）と（ｂ）、及び塩ストリームを抽出する工程は同時に実行することができる。地下地層（存在する場合）中にストリームを注入する工程及び圧力交換器（存在する場合）にストリームを通過させる工程も同時に実行することができる。
工程（ａ）については、温ストリームが、例えば１つ以上の熱交換器及び／又は蒸気発生器等の手段に通されて、熱エネルギーが抽出される。任意のタイプの従来のパワー生成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）のフィードとして利用される。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、冷高圧ストリームであり、これは地下地層中へ注入される。
工程（ｂ）は、浸透を利用して、高塩分ストリーム中に水を引き込み、これによってそのストリームの総圧を増加させる。浸透圧ポンプユニットは、潜在的な浸透エネルギーを高塩分ストリームの総圧の増加に変換して、そのポンプユニットの下流の高圧アウトプットストリームを供給する装置である。任意の適切な浸透圧ポンプ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、浸透圧ポンプユニットは、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。
浸透圧ポンプユニットは、ハウジングを備えてもよい。浸透圧ポンプユニットは、それを経由して高塩分ストリームが浸透圧ポンプユニットに入る入口を備えてもよい。浸透圧ポンプユニットは、それを経由して高圧ストリームが浸透圧ポンプユニットを出る出口を備えてもよい。入口の直ぐ上流の高塩分ストリームの総圧は、出口の直ぐ下流の高圧ストリームの総圧より低くてもよい。浸透圧ポンプユニットは、浸透圧ポンプユニットによって生成された圧力を塩水ストリームに向けるように構成された圧力交換器をさらに備えてもよい。浸透圧ポンプユニットは、高塩分ストリームから抽出された潜在的浸透エネルギーの大部分を、ポンプの下流の前記ストリームの圧力の増加に変換するように構成されてもよい。
地熱地層に起源する塩水フィードストリームと共に、工程（ｂ）は、地熱地層に起源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、湖又は帯水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、又は発電所からの凝縮水である。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（塩水ストリーム）及び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、膜を横切る水の移動の結果として、第一のストリーム（初期のより高い塩分濃度）は塩分濃度が減少し且つ総圧が増加しており、一方第二のストリーム（初期のより低い塩分濃度）は塩分濃度が増加し且つ総圧が低下しているであろう。膜の第一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、実際には殆ど達成されないであろう。従って、いずれかのアウトプットストリームは、元の膜の第二の通過分用の第一のストリーム又は第二のストリームのいずれかとして、又は第二の膜の第一のストリーム又は第二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、単独で利用されてもよく、又は他のインプットストリームと併合されてもよい。この方法の全体の効率を上げるために、複数のサイクルを使用することができる。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し、そしてより高い塩分濃度のストリームの更なる圧の増加を生成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（ａ）へのインプットは、温塩水ストリームである（任意に、1つ以上の前処理工程に付されている）。工程（ａ）からのアウトプットは、冷塩水ストリーム（cool saline stream）ということができる。「冷」という用語は、「温」塩水ストリームに対する塩水ストリームの温度を指すことが理解されよう。
工程（ｂ）へのインプットは、高塩分ストリーム及び低塩分ストリームである。工程（ｂ）からのアウトプットは、（i）1つ以上の膜を通過した後の高塩分ストリームに由来する塩分低減排出ストリーム（reduced-salinity exit stream）（これは高圧ストリームということができる）及び（ii）1つ以上の膜を通過した後の低塩分ストリームに由来する水排出ストリームである。
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、膜の第一の側からの加圧されたストリーム及び膜の第二の側からの廃棄ストリームである。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おり且つ総圧が増加しているが、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利用する。
地下地層からの抽出に続いて、温塩水ストリーム（及びそこから由来するストリーム）が、圧力損失を生じさせる特徴部を通って流れ得ることが理解されよう。浸透圧ポンプユニットを通過することによる総圧の増加量は、熱パワーユニット又はそのシステムの他の要素を流れる流体によって引き起こされる流れ又は圧力損失よりも少なくてもよい。従って、浸透圧ポンプユニットを横切って総圧が増加する一方で、塩分濃度が低下した排出ストリームは、地熱地層から最初に抽出されるときの温塩水ストリームよりも低い圧力又は流量のままであってよい。
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（flux）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。
他の側面において、本発明は、下記工程を含むパワー生成方法を提供する：地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程；熱パワーユニット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熱エネルギーを抽出する工程；及び、水は通過させるが塩は通過させない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、浸透圧ポンプユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記温塩水ストリームの総圧を増加させる工程。浸透圧パワーユニットを通過することにより高塩分ストリームから抽出された潜在的浸透エネルギーの大部分、例えば全てを、浸透圧ポンプユニットの下流の塩分低減排出ストリームで増加した総圧を供給するために利用することができる。この方法は、高塩分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ことを含まなくてもよい。
他の側面において、本発明は、地熱地層から抽出された温塩水ストリームへの接続を含むパワー生成システムを提供することができる。そのパワー生成システムは、温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出するように配置された熱パワーユニットを備えてもよい。パワー生成システムは、高塩分インプットストリームと低塩分インプットストリームとの間の塩分濃度差を利用して、高圧のアウトプットストリームを生成する、浸透圧ポンプユニットを、前記温塩水ストリームに由来する高塩分インプットストリームの総圧を増加するように配置し、備えてもよい。システムは、浸透圧ポンプユニットが、熱パワーユニット、再注入井、圧力交換器の１つ以上に供給されるストリーム、又は別のストリームと混合されるストリームの圧力を増加させるように構成され得る。
熱パワーユニットは、温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出して、冷却されたアウトプットストリームを生成することができる。このシステムは、熱パワーユニットの冷却されたアウトプットストリームが、高塩分インプットストリームとして利用されるために浸透圧ポンプユニットに送られるように配置されることができる。代替的に、このシステムは、浸透圧ポンプユニットを通過した後の温塩水ストリームに由来する高圧アウトプットストリームが、熱の抽出のために熱パワーユニットを通過するように配置されてもよい。
熱パワーユニットは、電気を生成するように配置することができる。そのシステムは、地域暖房システムへの接続をさらに備えてもよい。地域暖房システムは、集中化された場所で生成された熱をいくつかの異なる建物又は地域に分配するように構成することができる。パワー生成システムは、熱パワーユニットが温インプットストリームから抽出された熱エネルギーを前記地域暖房システムに供給するように構成することができる。従って、熱パワーユニットは、地域暖房システム内を循環する流体を加熱するように構成することができる。
このシステムは、再注入井への接続をさらに備えてもよい。再注入井は、地下地層中にストリームを注入するように配置することができる。このシステムは、高圧アウトプットストリームの少なくとも一部が地下地層中に注入のために再注入井に送られるように配置されてもよい。従って、浸透圧ポンプユニットは、前記高塩分ストリームと低塩分インプットストリームとの間の塩分濃度差を利用して、地下地層への注入前に高塩分ストリームの総圧を増加させるように構成することができる。
このシステムは、圧力交換器をさらに備えてもよい。圧力交換器への最初のインプットは、より高圧のストリーム及びより低圧のストリームであってよい。圧力交換器は、圧力をより高圧のストリームからより低圧のストリームに移すように構成されることができる。圧力交換器を通過した後、より高圧のストリームの総圧を低下させ、より低圧のストリームの総圧を上昇させることができる。浸透圧ポンプユニットからのより高圧のストリーム（又はそのストリームの少なくとも一部）は、より高圧のストリームとして利用するために圧力交換器に送られてもよい。従って、前記ストリームの総圧を増加するために、高塩分ストリームから別のストリームにエネルギーが移動する圧力交換器を通過する前の高塩分ストリームの総圧を増加させるように浸透圧ポンプユニットが配置されてもよい。
このシステムは、例えば圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して、高塩分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ように構成された浸透圧パワーユニット（osmotic power unit）をさらに備えてもよい。浸透圧パワーユニットは、浸透圧ポンプユニットの上流又は下流の塩水ストリームの流路に沿って配置されてもよい。
浸透圧ポンプユニット、熱パワーユニット（存在する場合）及び／又は浸透圧パワーユニット（存在する場合）は、地上に配置することができる。パワー生成システムは、高圧ストリームの総圧をさらに高めるために、浸透圧ポンプユニットに加えて、１つ以上の従来の機械式ポンプを備えてもよい。このシステムは、温塩水ストリームが、浸透圧ポンプユニットを通過した後、地下地層に注入される前に、温塩水ストリームに由来する蒸気の総圧を増加させるように配置された機械式ポンプを備えてもよい。
パワー生成システムは、例えば、トラック、重量物運搬車（ＨＧＶ）又は同様の車両等の道路車両等の可動プラットフォームに搭載されてもよい。
図１に、本発明の実施態様の一例を概略的に示す。図１において、約１２００ｍの深さＺ１に存在する地熱地層２からの温塩水ストリーム１を、１つ以上の前処理工程３に通し、得られたストリーム４を熱パワーユニット５に送る。熱パワーユニット５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、そして温ストリーム４は冷却され、冷却された塩水ストリーム６として排出される。ストリーム６は浸透圧ポンプユニット７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８（図１に破線で示す）の一方の側に流れるようにされる。約２００ｍの深さＺ２の帯水層１０から抽出される、ストリーム１、４及び６より低い塩分濃度の水ストリーム９は、１つ以上の前処理工程１１に通され、得られたストリーム１２は、浸透圧ポンプユニット７に送られ、そこで、半透膜８の他方の側に流れるようにされる。浸透圧ポンプユニット７内では、（低塩分）ストリーム１２から半透膜８を介して（高塩分）ストリーム６中に水が流れ、それによりストリーム６の総圧を増加させる。この水の流れはまた、初期のより低塩分のストリーム１２の塩分を増加させ、高塩分ストリーム６の塩分を減少させる。浸透圧ポンプユニット７からのアウトプットは、初期の水ストリーム１２に由来する水排出ストリーム１３（即ち、ストリーム１２から半透膜８を介して流入した水を減じたもの）及び冷塩水ストリーム６に由来する塩分低減排出ストリーム（reduced salinity exit stream）１４（即ち、ストリーム６に半透膜８を介して流入した水を加えたもの）を形成する。ストリーム１４は、冷塩水ストリーム６よりも高い総圧を有し、従って、より高圧のストリーム１４ということができる。塩分低減排出ストリーム１４の一部又は全部は、温塩水ストリーム１が抽出される地熱貯留層２に注入され、排出ストリーム１４の残り（もしあれば）は、水ストリーム９が抽出された帯水層１０中に注入され得る。水排出ストリーム１３の一部又は全部は、水ストリーム９が抽出された帯水層１０中に注入される。前処理工程３、熱交換器５、前処理工程１１及び浸透圧ポンプユニット７は、図１でＧのラベルが付いた破線で示される地上レベルの発電所１５内に配置される。下記表１に、様々なストリームの代表的な特性を、まとめておく。
Figure 0007252952000003
本実施態様によるシステムは、浸透圧ポンプユニットを通過した後の塩分低減排出ストリーム１４の総圧の増加により、塩分低減排出ストリーム１４を貯留層２中に注入するために必要なポンプ仕事量が減少するので、従来技術のシステムより効率的であり得る。従って、地熱ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーは、ストリームを地面中に注入して戻すために必要なエネルギー量を減らすために利用される。（電気を生成するよりもむしろ）この方法で潜在的な浸透エネルギーを利用すると、プロセス全体の効率の向上に導くことができる。
図２は、本発明によるパワー生成システムの第二の例を示す。ここでは、第一の実施態様とは異なる本実施態様の要素のみを説明する。同様の参照番号は同様の要素を示す。第二の実施態様のシステムでは、熱パワーユニット５は、温塩水ストリーム４から熱エネルギーを抽出し、そのエネルギーを熱として地域暖房システム３０に供給する。再び、温ストリーム４は冷却され、冷塩水ストリーム６として排出される。特定の動作条件、例えば、温塩水ストリームの温度が７０℃未満の場合には、熱パワーユニット５を使用して、発電ではなく熱を抽出する方がより効率的であり得る。従って、本実施態様によるシステムは、熱エネルギーを利用して、電気を生成するのではなく熱を生成し、総圧を増加させるので、従来技術のシステムより効率的であり得る。
図３は、本発明によるパワー生成システムの第三の例を示す。ここでは、第一の実施態様とは異なる本実施態様の要素のみを説明する。同様の参照番号は同様の要素を示す。第三の実施態様のシステムにおいて、圧力交換器１７は、塩分低減排出ストリーム１４（より高圧のストリーム）の流路上の浸透圧ポンプ（osmotic pump）７の下流に配置される。圧力交換器１７への他のインプットは、低圧ストリーム１９である。圧力交換器１７内では、ストリーム１４の水圧エネルギーの一部が、より低い圧力のストリーム１９の圧力を増加させるために利用される。従って、圧力交換器１７のアウトプットは、塩分低減排出ストリーム１４に由来する減圧ストリーム１８及び低圧ストリーム１９に由来する昇圧ストリーム１６である。減圧ストリーム１８は、近くの川に廃棄することができる。昇圧ストリーム１６は、パワー生成システム又は別のプロセスにおける他の場所で使用することができる。水排出ストリーム１３の一部又は全ては、そこから塩水ストリーム１が抽出される地熱貯留層２中に注入される。地熱ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを利用して低圧ストリーム１９の圧力を増加させると、ストリーム１６が利用されるプロセスに必要なポンプの仕事量を減らすことができる。このように潜在的浸透エネルギーを利用すること（及び対応するポンプエネルギーの削減）は、プロセス全体の効率の向上に導くことができる。別の実施態様（図示せず）では、圧力交換器１７にインプットされる低圧ストリームは、浸透圧ポンプユニット７で利用する前の低塩分ストリーム１２であってもよい。
図４は、本発明によるパワー生成システムの第四の例を示す。ここでは、第一の実施態様とは異なる本実施態様の要素のみを説明する。同様の参照番号は同様の要素を示す。第四の実施態様では、浸透圧パワーユニット７’は、塩分低減排出ストリーム１４の流路上の浸透圧パワーユニット７の下流で、低塩分ストリーム１２の流路上の浸透圧パワーユニット７の上流に配置される。浸透圧パワーユニット７’へのインプットは、塩分低減排出ストリーム１４及び初期の低塩分インプットストリーム１２’である。浸透圧パワーユニットからのアウトプットは、低塩分ストリーム１２及び塩分低減排出ストリーム１４’である。ストリーム１２の塩分は、初期の低塩分ストリーム１２’よりも高くなるが、塩分低減排出ストリーム１４’及び１４よりも低くなる。ストリーム１４'の塩分は、排出ストリーム１４よりも低いが、低塩分ストリーム１２’よりも高い。浸透圧パワーユニット７'内では、水がストリーム１２'から半透膜を介してストリーム１４に流れ込み、限られた空間により圧力が上昇し、この過剰圧力は最終的に図示しない従来の手段によって電気に変換される。排出ストリーム１４'は、必要に応じて、例えば地熱貯留層２又は帯水層１０内に注入して廃棄できる。
図５は、本発明によるパワー生成システムにおいて複数の浸透ユニット（osmosis units）７ａ、７ｂ及び７ｃが直列に接続された、図１のプロセスの変形を示す。同様の参照番号は同様の要素を示す。各浸透ユニット７ａ、７ｂ及び７ｃは、水は通過させるが塩は通過させない半透膜（図示せず）を含む。元の高い塩分濃度のストリーム６は、半透膜の一方の側を流れ、一方、低い塩分濃度のストリーム１２ａは他方の側を流れる。元の地熱インプットストリーム４及び６の塩分濃度よりも低い塩分濃度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１４ａは、第二の浸透ユニット７ｂ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二のインプットストリーム１２ｂは、1つ以上の前処理工程１１を通過した後の元の水ストリーム９から得られる。ストリーム１４ａと１２ｂとの間の塩分濃度の差は、ストリーム６と１２ａとの間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、浸透によってストリーム１４ａの総圧の増加が発生し得る。浸透ユニット７ｂからのアウトプットストリーム１４ｂは、元の地熱インプットストリーム４及び６の塩分濃度よりも低く、またストリーム１４ａよりも低く、第三の浸透ユニット７ｃに送られ、そこで、比較的低い塩分濃度の水のさらなるインプットストリーム１２ｃから半透膜の他の側を通過する。ストリーム１４ｂと１２ｃとの間の塩分濃度の差は、ストリーム６と１２ａとの間又はストリーム１４ａと１２ｂとの間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、浸透によってストリーム１４ｂの総圧の増加が発生し得る。図５のプロセスからのアウトプットストリームは、水排出ストリーム１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃであり、これらのストリームは帯水層１０に注入して廃棄することができる。高圧排出ストリーム１４ｃは、そこから高塩分ストリーム１が抽出される地熱地層２に注入することができる。
図６は、比較的低い塩分濃度の水のインプットストリーム１２ａ、１２ｂ及び１２ｃが、それぞれ１つ以上の前処理工程１１ａ、１１ｂ及び１１ｃを受け、別々のインプットストリーム９ａ、９ｂ及び９ｃとして供給される、図５の変形例を示す。
図７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６の変形例を示す。浸透ユニット７ａからの流出ストリーム１３ａ及び１４ａ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７ｂへのインプットストリーム２０ａとして供給される。合流されたストリーム２０ａは、元の地熱インプットストリーム４及び６の塩分含量よりも低い塩分含量を有し、ストリーム２０ａと１２ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム６と１２ａ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、浸透によってストリーム２０ａの総圧の増加を生成することができる。同様に、浸透ユニット７ｂからの流出ストリーム１３ｂ及び１４ｂ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７ｃへのインプットストリーム２０ｂとして供給される。
図５、６及び７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ポンプ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８は、浸透圧ポンプユニット７の更なる詳細を示す。地熱地層（例えば、図１のストリーム１、４又は６であってもよい）から抽出された塩水ストリーム２７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２７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２３に由来す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がより高い総圧を有する、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、浸透ユニット２１を出る。
特定の実施態様を参照して本発明を説明及び図示したが、本発明は本明細書に具体的に示していない多くの異なる変形に役立つことを当業者は理解するであろう。ほんの一例として、特定の可能なバリエーションについて説明する。上記の前処理工程は必須ではなく、特定の用途に必要な前処理工程の性質と数は、少なくとも部分的には、議論している地層から抽出された流体の特性の性質に依存することは理解されよう。さらに、高圧アウトプットストリームは、地下に注入するのではなく、海、川、又は湖に戻すことができることが理解されよう。
前述の説明において、既知の、明白な又は予見可能な同等物を有する整数又は要素が言及されている場合、そのような同等物は、個別に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。本発明の真の範囲を決定するために特許請求の範囲を参照すべきであり、そのような同等物を包含するように解釈すべきである。また、読者は、好ましい、有利、便利等として記載された本発明の整数又は特徴は任意であり、独立請求項の範囲を限定しないことを理解するであろう。さらに、そのような任意の整数又は特徴は、本発明のいくつかの実施態様では可能性のある利点があるが、他の実施形態では望ましくなく、従って存在しない場合があることを理解されたい。

Claims (18)

  1. 下記工程を含むパワー生成方法：
    －地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程、及び
    －水は通過させるが塩は通過させない半透膜の一方の側に前記温塩水ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に前記温塩水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、浸透圧ポンプユニットに、前記温塩水ストリームを通過させることによって、前記温塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを前記温塩水ストリームの総圧の増加に変換する工程、
    ここで：浸透圧ポンプユニットからのアウトプットが、前記温塩水ストリームに由来するより高圧のストリームであり、及び
    より低圧のストリームを圧力交換器の一方の側に通過させ、前記のより高圧のストリームを圧力交換器の他方の側に通過させることによって、より低圧のストリームの総圧を増加させる工程を更に含む。
  2. 前記のより高圧のストリームの少なくとも一部を地下地層に注入する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
  3. 地下地層が、地熱地層である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記のより高圧のストリームを他のストリームと混合する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
  5. 熱パワーユニットに通過させることによって、前記温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを抽出する工程を更に含む、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
  6. 前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出する工程が、前記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熱パワーユニットを通過させることによって、前記温塩水ストリームの温度を低下させることを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出する工程が、前記温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを地域暖房システムに熱を供給するために利用する、熱パワーユニットを通過させることによって、前記温塩水ストリームの温度を低下させることを含む、請求項５に記載の方法。
  8. 前記浸透圧ポンプユニットが、水は通過させるが塩は通過させない半透膜をそれぞれ含む２つ以上の浸透ユニットを含む、請求項１～７のいずれかに記載の方法。
  9. １つの浸透ユニットからのアウトプットストリームが、第二の浸透ユニットのインプットストリームとして利用される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記温塩水ストリームが少なくとも４５℃、例えば少なくとも５５℃の温度を有する、請求項１～９のいずれかに記載の方法。
  11. 前記温塩水ストリームが、少なくとも１０重量％、例えば少なくとも１５重量％の塩含有量を有する、請求項１～１０のいずれかに記載の方法。
  12. より低い塩分濃度の水ストリームが、海水、河川、湖又は帯水層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、又は発電所からの凝縮水である、請求項１～１１のいずれかに記載の方法。
  13. 下記を含むパワー生成システム：
    －地熱地層から抽出された温塩水ストリームへの接続、
    －高塩分インプットストリームと低塩分インプットストリームとの間の塩分濃度の差を利用して、前記温塩水ストリームに由来する高塩分インプットストリームの総圧を増加させ、それによって高圧アウトプットストリームを生成するように配置された浸透圧ポンプユニット、及び
    －低圧ストリームを圧力交換器の一方の側に通過させ、前記の高圧アウトプットストリームを圧力交換器の他方の側に通過させることによって、低圧ストリームの総圧を増加させるように配置された圧力交換器。
  14. 前記システムが、地下地層中にストリームを注入するように配置された再注入井への接続をさらに備えており、前記システムは、前記高圧アウトプットストリームの少なくとも一部を地下地層中への注入のための再注入井に通すように配置されている、請求項１３に記載のパワー生成システム。
  15. 前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出するように配置された熱パワーユニットを更に含む、請求項１３又は１４に記載のパワー生成システム。
  16. 前記熱パワーユニットが、前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出し、それにより冷却されたアウトプットストリームを生成し、前記システムが、前記熱パワーユニットの前記冷却されたアウトプットストリームを高塩分インプットストリームとして利用するために浸透圧ポンプユニットを通過させるように配置されている、請求項１５に記載のパワー生成システム。
  17. 前記熱パワーユニットが、電気を生成するように配置されている、請求項１５又は１６に記載のパワー生成システム。
  18. 前記システムが、地域暖房システムへの接続をさらに備え、前記熱パワーユニットが前記温塩水ストリームから抽出された熱を前記地域暖房システムに供給するように構成される、請求項１５～１７のいずれかに記載のパワー生成システム。
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