JP7344200B2 - 発電方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発電方法（power generation process）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)から発電することに関する。
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）からの電気又は熱の生産のためのさまざまなスキームが提案されている。
潜在的浸透エネルギーを抽出するための研究領域の一つは、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、より低濃度の（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、密閉空間における体積が増加することによって、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ために利用できる。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、浸透現象の駆動体（driver）として、塩分濃度の差異を利用する。典型的には、より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、そしてより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。
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すること、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。
ＷＯ２０１６／０３７９９９及び他の場所に記載されているような浸透圧発電プロセスは、高塩分ストリーム（例えば地熱地層からの温塩水ストリーム）と低塩分の水フィードストリームとの間の塩分濃度の差に依存している。この低塩分ストリームは、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；工業又は地方自治体の供給源から得られる廃水；又は従来の発電所からの潜在的なボイラー凝縮物である。ＰＲＯプロセスの経済性は、地熱井（geothermal well）が海、川又は湖に隣接しており、必要なストリームの調達と廃水ストリームの処理が簡単で安価な場合に特に有利である。しかし、浸透圧発電を商業ベースで使用できる場所の範囲を拡大するために、そのような水源が容易に利用できない場合、そのようなプロセスの使用を促進する方法を特定することは有利であろう。従って、水フィードストリームの代替源を特定すること、及び／又は所定量の発電に必要な淡水の量を減らすことが有利であろう。
高塩分ストリームの塩分濃度が浸透圧パワーユニットを通過することにより低下し得る一方で、塩分レベル（又は他の混入物質のレベル）は依然として重要であり得るため、一度地熱地層から抽出された場合、そのようなストリームは、環境への悪影響を避けるため、慎重に廃棄しなければならない。繰り返すが、海、川又は湖等の大きな水域から電力システムが離れている場合、廃棄はさらに複雑になる。従って、浸透圧発電プロセスによって生成された廃棄ストリームを処理する方法及び／又は生成される廃棄物の量を減らす方法を特定することは有利であろう。
ＷＯ２０１６／０３７９９９
Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358
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、改善された発電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、下記工程を含む発電方法を提供する：地熱地層（geothermal formation）である第一の地下地層（underground formation）から温塩水ストリーム(warm saline stream)を抽出する工程；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、浸透圧パワーユニット（osmotic power 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、電気に変換する工程；及び前記温塩水ストリームの温度を、前記ストリームが該浸透圧ユニット（osmotic unit）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抽出する熱パワーユニット（thermal power unit）を通過させることによって、低下させる工程、ここで、浸透圧パワーユニットを通過した前記塩水ストリームに由来するアウトプットストリームは第二の異なる地下地層中に注入され、ここで、第二の地下地層は帯水層であり、その帯水層は浸透性の岩、岩の割れ目、砂利、砂、又はシルトを含む含水地層であり、またここで、第二の地下地層は地熱地層から間隔をあけて配置されていて、通常の状況下では、意味のある量の水がその第二の地層と地熱地層の間を自然には通過しない。
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：地熱地層である第一の地下地層から抽出される温塩水ストリームへの第一の入口接続；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、例えば圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して電気を発生させるように配置された浸透圧パワーユニット；前記温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出して、それにより冷却されたアウトプットストリームを生じるように配置された熱パワーユニット；及び第二の異なる地下地層への第一の出口接続、ここで、当該システムは、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パワーユニットに通すように配置され、高い塩分濃度のインプットストリームに由来する廃棄ストリームは、該浸透圧パワーユニットを通過した後、第一の出口を介して第二の地下地層に通され、またここで、第二の地下地層は地熱地層から間隔をあけて配置されていて、通常の状況下では、意味のある量の水がその第二の地層と地熱地層の間を自然には通過しない。
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発電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発電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の方法の変形例を示す。 代替的インプットストリームを用いた図３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４の変形例を示す。 本発明の方法で用いるための浸透圧パワーユニットの一例を示す。
詳細な説明
前記で論じた様に、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：地熱地層である第一の地下地層から温塩水ストリームを抽出する工程；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、浸透圧パワーユニットに、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、電気に変換する工程；及び前記温塩水ストリームの温度を、前記ストリームが該浸透圧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抽出する熱パワーユニットを通過させることによって、低下させる工程、ここで、浸透圧パワーユニットを通過した前記塩水ストリームに由来するアウトプットストリームは第二の異なる地下地層中に注入される。
本発明方法は、浸透圧ユニットからの塩分低減排出ストリーム（reduced salinity exit stream）を地下地層中に注入する。このことは、この方法のアウトプットストリームを注入できる適当な川又は湖が無い場所における浸透圧発電（osmotic power generation）の利用を容易にすることができる。
この方法は、第二の地下地層から水フィードストリームを抽出することを含むことができる。この方法は、浸透圧パワーユニットを通過した後の温塩水ストリームに由来するアウトプットストリームを、水フィードストリームが抽出される地下地層中に注入することを含むことができる。従って、この方法は、第二の地下地層から水フィードストリームを抽出することを含むことができる。これにより、膜を通過した低塩分ストリームから塩水ストリームへの水の一部が第二の地下地層に戻されるため、この方法に必要な水の量を減らすことができる。従って、この方法は、淡水の供給が制限されている場所での浸透圧発電の利用を促進し得る。
第二の地下地層に含まれる水は、飲料水として利用するには不適切な場合がある。例えば、第二の地下地層から抽出された水フィードストリームは、飲料水としての利用に適さないようにする１つ以上の汚染物質を含む場合がある。浸透圧発電のプロセスで汚染水を使用することは、新鮮な飲料水の供給が制限されている場所での浸透圧発電の利用を容易にし得る。
第二の地下地層は帯水層であり得る。帯水層は、地下の含水地層と定義できる。帯水層は、浸透性のある層、例えば浸透性の岩、岩の割れ目、又は固められていない物質（例えば、砂利、砂、又はシルト）の層を含み、そこから地下水を抽出することができる。帯水層は、飲料水の深さより下に位置する場合がある。例えば、帯水層は地下５０ｍ以上に位置することができる。帯水層は、地下５０ｍから４００ｍの間、例えば地下１００ｍから２００ｍに及ぶ範囲に位置することができる。帯水層内に含まれる水は、飲料水として利用するには不適切な場合がある。例えば、帯水層内に含まれる水は、水を飲料水としての利用に適さないものにする１つ以上の汚染物質を含むことがある。帯水層内の水の温度は、２５℃未満、例えば１５℃から５℃の間、例えば１２℃から８℃の間であることができる。
この方法は、浸透圧パワーユニット通過後の低塩分ストリーム（低塩分排出ストリーム又は水排出ストリーム）に由来するアウトプットストリームを地下地層中に注入することを含むことができる。低塩分排出ストリームは、第三の異なる地下地層中に注入することができる。低塩分排出ストリームは、第一の地熱地下地層に注入することができる。従って、この方法には以下が含まれる：
－第一の地下地層（地熱地層等）から温塩水ストリームを抽出し、そのストリームを熱パワーユニット及び浸透圧パワーユニットに通過させ、結果として生じる塩分低減排出ストリームを第二の異なる地層（帯水層等）に注入すること；及び
－第二の地層（帯水層等）から水フィードストリームを抽出し、そのフィードストリームを浸透圧パワーユニットに通過させ、結果として生じる水排出ストリームを第一の地下地層（地熱地層等）中に注入すること。
この方法は、二つの向流ストリームを含むことができる；（高塩分）地熱地層から（低塩分）帯水層に流れる第一のストリームと（低塩分）帯水層から（高塩分）地熱地層に流れる第二のストリームである。各ストリームは、浸透圧パワーユニットを経由して通過することができる。このようにして、本発明方法は、周囲環境から抽出されるか又は周囲環境に戻される流体の量を減らすことができる。状況によっては、さまざまな地下地層への出入りする流量が均衡して、それらのストリームが閉ループを形成しているように見える場合がある。つまり、第一、第二及び第三（存在する場合）の地下地層からの流体のみが、この方法で使用され、この方法で使用されるすべての流体は、第一、第二及び第三（存在する場合）の地下地層の１つに戻される。
第二の地下地層は、地熱地層から間隔をあけて配置することができる。第二の地下地層は帯水層であり得る。通常の状況下では、意味のある量（significant quantities）の水がその第二の地層と地熱地層の間を自然には通過しないだろうという意味で、第二の地下地層は地熱地層から離される場合がある。
熱パワーユニットが地熱地層と浸透圧パワー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、熱パワー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、これは浸透圧パワー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。
浸透圧パワーユニットが地熱地層と熱パワー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、浸透圧パワー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、これは熱パワー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。一部の地熱ストリームは非常に高い塩分を含んでおり、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。
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。そのストリームは、熱交換器を備えた熱パワーユニットを通過させることができる。そのストリームは、蒸気発生器を含む熱パワーユニットを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使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使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。
好ましくは、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る地熱地層を選択する。塩含量は、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「塩含量」は全塩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。
工程（ａ）については、温ストリームが、熱パワーユニット、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、熱エネルギーが抽出され、それは電気又は熱に変換される。任意のタイプの従来の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、廃棄ストリームであり、これは地下地層中へ注入することができる。
工程（ｂ）は、浸透によってパワーを供給され、潜在的浸透エネルギーを電気に変換する。浸透圧パワーユニットは、潜在的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パワー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、浸透圧パワーユニットは、それぞれが半透膜を含む２つ以上の浸透ユニット（osmosis unit）を含むことができる。浸透圧パワーユニットは、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。
地熱地層から生じる塩水フィードストリームと共に、工程（ｂ）は、地熱地層から生じ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。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）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、膜を横切って水が移動した結果として、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、第二のストリーム（初期のより低い塩分濃度）は塩分濃度が増加するであろう。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。プロセスの効率を高めるために、多数のサイクルを用いることができる。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（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廃棄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り、これらのストリームは別個に又は併合して処理することができる。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濃度が減少しているが、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。
工程（ａ）及び（ｂ）の後、この方法は、温塩水ストリームに由来する排出ストリーム（の少なくとも一部）を第二の地下地層中に注入することを含む。従って、この方法は、冷塩分低減排出ストリーム（cool reduced-salinity exit stream）（の少なくとも一部）を第二の地下地層中に注入することを含む。その排出ストリームは、従来の技術を使用して地面中に注入される。
この方法は、２つ以上の地熱地層から温塩水ストリームを抽出すること、及びこれらのストリームを組み合わせて浸透圧パワーユニットで使用するための高塩分ストリームを供給することを含むことができる。各ストリーム、又は各ストリームに由来する結合ストリームは、熱パワーユニット、例えば同じ熱パワーユニットを通過することができる。この方法は、２つ以上の帯水層から水フィードストリームを抽出すること、及びこれらのストリームを組み合わせて浸透圧パワーユニットで使用するための低塩分ストリームを供給することを含むことができる。多数の地層を使用することは、そうでなければ経済的に実行可能な発電で使用するには低すぎる流量を有する地層の使用を容易にすることができる。
浸透圧パワーユニットによって出力される塩分低減排出ストリームの少なくとも一部、例えば全ては、再注入井を通じて地面中に注入されてもよい。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。
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。この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。
一つの側面において、本発明は、発電システム（power generation system）を提供する。この発電システムは、第一の地下地層から抽出される温塩水ストリームへの第一の入口接続を含むことができる。この発電システムは、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間の塩分濃度の差を利用して、例えば圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して電気を発生させるように配置された浸透圧パワーユニットを含むことができる。この発電システムは、温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出することで冷却されたアウトプットストリームを生じるように配置された熱パワーユニットを含むことができる。この発電システムは、第二の異なる地下地層への第一の出口接続を含むことができる。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パワーユニットに通すように配置されることができる。このシステムは、高い塩分濃度のインプットストリームに由来する廃棄ストリームを、該浸透圧パワーユニットに通した後、第一の出口を経由して第二の地下地層に通すように配置されることができる。
この発電システムは、地下地層への第二の出口接続を備えてもよい。このシステムは、水排出ストリームが第二の出口接続に送られるように構成されてもよい。第二の出口接続は、地下地層、例えば第一の地熱地下地層への接続であり得る。第二の出口接続は、第三の異なる地下地層への接続であり得る。
この発電システムは、水供給ストリームへの第二の入口接続を備えてもよい。第二の入口接続は、例えば帯水層等の第二の地下地層への接続であってもよい。代替的に、第二の接続は、第三の異なる地下地層への接続であってもよい。
この発電システムは、温塩水ストリームを抽出できる二つ以上の地熱地層、及び／又は水フィードストリームを抽出できる二つ以上の地下地層への接続を備えてもよい。
この発電システムは、地下地層中への注入のために、排出ストリームを加圧するための１つ以上のポンプを備えてもよい。
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使用されるために浸透圧パワー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、浸透圧パワーユニットを通過した後の温塩水ストリームに由来する塩分低減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、電気又は熱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。発電システムは、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、一つ以上の再注入井への接続をさらに備えてもよい。第一又は第二の出口接続のいずれかは、再注入井と流体連通していてもよい。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、塩分低減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への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。
浸透圧パワーユニット及び／又は熱パワーユニットは、地上に配置することができる。発電システム（例えば、浸透圧パワーユニット及び／又は熱パワーユニット）は、例えば、トラック、重量物輸送車（ＨＧＶ）又は類似の車両等の道路車両等の可動プラットフォーム上に搭載されてもよい。
別の側面において、二つ以上の発電システムを利用して、発電する方法が提供され得る。上述の発電方法は、第一の発電システムによって実行され得る。従って、第一の発電システムでの方法は以下を含むことができる：
－地熱地層である第一の地下地層から温塩水ストリームを抽出すること、
－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、浸透圧パワーユニットに、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、電気に変換すること、及び
－前記温塩水ストリームの温度を、前記ストリームが該浸透圧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又は熱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、低下させること、
ここで、浸透圧パワーユニットを通過した前記塩水ストリームに由来するアウトプットストリームは第二の異なる地下地層中に注入される。第一の発電システムの方法は、上述のあらゆる特徴を有することができる。
第一及び第二の発電システムは、同じ地下地層から流体を抽出することができ、又は、そこに流体を注入することができる。このように発電システムをリンクすると、環境の汚染を最小限に抑えることができ、及び／又はより低流量の地層から流体を引き出すことができる。両方の発電システムが同じ地下地層中にストリームを注入する、両方の発電システムが同じ地下地層からストリームを抽出する、又は第一及び第二のシステムの一方が地下地層にストリームを注入し、一方、第一及び第二のシステムの他方が前記地層からストリームを抽出する。
第二の発電システムでの方法は、第一の発電システムと同じ地下地層、例えば第二の地下地層から水フィードストリームを抽出することを含むことができる。第一及び第二の発電システムは、同じ地層、例えば同じ帯水層から低塩分フィードストリームを抽出することができる。従って、第二のシステムでは、方法に以下が含まれる：
－地熱地層である第一の地下地層から温塩水ストリームを抽出すること、
－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、浸透圧パワーユニットに、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、電気に変換すること、及び
－前記温塩水ストリームの温度を、前記ストリームが該浸透圧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又は熱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、低下させること、
ここで、水フィードストリームは第二の地下地層から抽出される。
第二の発電システムでの方法は、第一の発電システムと同じ地熱地層から、又は第一の発電システムで使用される地熱地層とは異なる地熱地層から、温塩水ストリームを抽出することを含み得る。第二の発電システムでの方法は、浸透圧パワーユニットを通過後の塩水ストリームに由来するアウトプットストリームを、第一の発電システムで使用されるのと同じ地層（例えば第一の又は第二の地下地層）中に、又は異なる地層中に、注入することを含み得る。
この方法は、浸透圧パワーユニットを通過後の塩水ストリームに由来するアウトプットストリームを、第三の異なる地層中に注入する第一及び第二の発電システムの一方又は両方を含むことができる。
代替的に、第二の発電システムでの方法は、例えば帯水層等の第三の異なる地下地層から水フィードストリームを抽出することを含むことができる。第二の発電システムでの方法は、水排出ストリームを第二の地下地層中に注入することを更に含むことができる。従って、第二のシステムの水排出ストリームは、第一のシステムがその塩分低減排出ストリームを注入する地下地層中に、注入することができる。第一のシステムでの方法は、第二の地下地層から水フィードストリームを抽出することを含み得る。従って、第一のシステムは、第二のシステムがその水排出ストリームを注入する地層からその水フィードストリームを抽出することができる。
更なる発電システムがそのようなシステムに含まれ得ることは明らかであろう。別の発電システムが使用する地下地層から流体を注入又は抽出する各発電システム。例えば、ｎ個の発電システム（１～ｎ）があるシステムは、ｎ＋１個の地下地層を使用できる。最も高い温度と塩分濃度を有する第一の（地熱）地層、最も低い温度と塩分濃度を有するｎ＋１の地層（帯水層等）。従って、上述の閉ループは、２つ以上の地下地層と２つ以上の発電システムにまたがって形成されることができ、１つのシステムからのアウトプットが地下地層を経由して他のシステムのインプットとして機能する。
第一の発電システムは、第二の発電システムから間隔をあけられていてもよい。二つ以上の発電システムのそれぞれは、他の発電システムから間隔をあけられ得る。各発電システムは、地域及び／又は全国の配電網に接続できる。
浸透圧パワーユニットは、2つ以上の浸透ユニット（osmosis unit）を含むことができ、各浸透ユニットは、水は通過させるが塩は通過させない半透膜を含む。各浸透ユニットからのアウトプットは、膜の第一の（初期のより高い塩分濃度）側からの最初の出口ストリーム、及び膜の第二の（初期のより低い塩分濃度）側からの第二の出口ストリームであろう。これらのストリームは個別に処理されるか、少なくとも部分的に合併される。
浸透圧パワーユニットからのアウトプットは、１つ以上のアウトプットストリームになるであろう。浸透圧パワーユニットにおける浸透ユニットの数と、各浸透ユニットからの出口ストリームの処理方法に応じて、これらの出口ストリームの特性は変化する。
水フィードストリームを注入する工程、塩水ストリームを抽出する工程及び潜在的浸透エネルギーを変換する工程が同時に実行されることが理解されよう。
この方法は、地下地層、例えば第一及び／又は第二の地下地層から利用可能な流量を増加させる工程を含むことができる。この方法は、非垂直に、例えば実質的に水平に穿孔することにより流量を増加させることを含むことができる。この方法は、第一の深さで第一の拡張ボア（bore）を穿孔すること、及び第二の異なる深さで第二の拡張ボアを穿孔することを含むことができる。この方法は、更に異なる深さで更にボアを穿孔することを含んでもよい。方向掘削の方法は、石油及びガスの分野でよく知られているが、本発明は、それが、浸透プロセスからの廃棄ストリームの管理を容易にするために浸透圧発電の実施に使用できることを認識する。このようにして、流体が地下地層に流入及び流出する能力を高めると、外部環境の汚染量を減らすことができ、及び／又は発電効率を高めることができる。
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で地熱地層２から抽出した温塩水ストリーム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を熱交換器５に送る。熱交換器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は浸透圧パワーユニット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。ストリーム１、４及び６よりも塩分濃度が低い水ストリーム９は、約１００ｍの深さＺ２で帯水層１０から抽出される。帯水層１０から抽出された水ストリーム９は、飲料水としての利用に適さないように変える汚染物質を含んでいる。一度抽出された水ストリーム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、浸透圧パワーユニット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。浸透圧パワーユニット７内では、ストリーム１２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、図示しない従来の方法によって、最終的に電気に変換される。浸透圧パワーユニット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を介して流れた水を減じたもの）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。塩分低減排出ストリーム１４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。水排出ストリーム１３の一部又は全部は、温塩水ストリーム１が抽出された地熱地層２中に注入される。前処理工程３、熱交換器５、前処理工程１１及び浸透圧パワーユニット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に置かれた発電所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 0007344200000001
図２は、図１のシステムの変形例を示す。同様の参照番号は、同様の要素を示す。ここでは、図１の実施態様とは異なる図２の実施態様の要素のみを説明する。図２のシステムは、２つの発電システム２１５ａ及び２１５ｂを備え、各発電システム２１５ａ、２１５ｂは、３つの地下地層２１６ａ、２１６ｂ及び２１６ｃの少なくとも１つから流体を引き出し、及び／又は流体を注入する。第一の地下地層２１６ａは、高温Ｔ１及び塩分濃度Ｓ１を有する地熱地層である。第三の地下地層２１６ｃは、低温Ｔ３及びほぼゼロの塩分濃度Ｓ３を有する帯水層である。第二の地下地層２１６ｂは、温度Ｔ２がＴ１とＴ３の間にあり、塩分濃度がＳ１とＳ３の間にある。図２の各発電システム２１５は、図１の発電システム１５の全ての要素を含むが、図２には、明確性のため、全ての要素は含まれていない。
第一の発電システム２１５ａは、地熱地層２１６ａから温塩水ストリーム２０１ａを抽出する。これは、前処理工程２１３ａ及び熱交換器２０５ａを通過して、第一の発電システム２１５ａの浸透圧パワーユニット２０７ａで使用するための冷却された塩水ストリーム２０５ａを生成する。パワーユニット２０７ａからの塩分低減排出ストリーム２１４ａは、第二の地下地層２１６ｂ中に注入される。第二の発電システム２１５ｂは、地下地層２１６ｂから温塩水ストリーム２０１ｂを抽出し、それは、冷却された塩水ストリーム２０５ｂとして浸透圧パワーユニット２０７ｂを通過して、塩分低減排出ストリーム２１４ｂを生成する。第二の発電システム２１５ｂからの塩分低減排出ストリーム２１４ｂは、帯水層２１６ｃ中に注入される。第二の発電システム２１６ｂは、帯水層２１６ｃから水フィードストリーム２０９ｂを引き出して、水排出ストリーム１１３ｂとして第二の地下地層２１６ｂ中に注入される前に、浸透圧パワーユニット２０７ｂ内の膜の反対側を通過する。第一の発電システム２１６ａは、地下地層２１６ｂから抽出された水フィードストリーム２０９ａを使用し、地熱地層２１６ａ中に注入される水排出ストリーム２１３ａとして最終的にシステムから出る。このように貯留層を連結することは、本実施態様による発電システムが周囲環境への汚染された流体の放出を少なくすることを意味し、及び／又はそうでなければ浸透／熱発電での利用に適さない地下地層の利用を容易にすることができる。
第二の地下地層２１６ｂから生成された塩水ストリームは、第一の地下地層２１６ａからの温塩水ストリームよりも低い温度及び塩分濃度を有し得るが、特に、第三の地下地層２１６ｃからのより低い塩分濃度である水ストリーム２０９ｂが考慮される場合、それでも発電するのに十分であり得ることが理解されるであろう。さらに、このシステムは３つ以上の発電システム２１５と共に使用できることを理解されたい。他の実施態様（図示せず）では、２つの発電システムは、共通の１つの地下地層だけを有する。例えば、両方の発電システムは、同じ低塩分帯水層から水フィードストリームを引き出すことができるが、異なる地熱地層から温塩水ストリームを引き出すことができる。
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、より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、浸透によって電気を生成し得る。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の塩含量よりも低く、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、浸透によって電気を生成し得る。図３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、１０ｃ及び１３ｃであり、これらのストリームは、高塩分ストリーム１が抽出される地熱地層２中に注入して廃棄することができる。塩分低減排出ストリーム１４ｃは、帯水層１０又は他の地下地層中に注入して廃棄することができる。
図４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の塩含量よりも低い塩含量を有し、ストリーム２０ａ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、浸透によって電気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パワー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、浸透圧パワーユニット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、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を駆動して電気を生成するタービン２７を経由して、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。
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 (16)

  1. 下記工程を含む発電方法：
    －地熱地層である第一の地下地層から温塩水ストリームを抽出する工程、
    －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、浸透圧パワーユニットに、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、電気に変換する工程；及び
    －前記温塩水ストリームの温度を、前記温塩水ストリームが該浸透圧パワーユニットに入る前に、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熱パワーユニットを通過させることによって、低下させる工程、
    ここで、浸透圧パワーユニットを通過した前記温塩水ストリームに由来するアウトプットストリームは第二の異なる地下地層中に注入され、
    ここで、第二の地下地層は帯水層であり、その帯水層は浸透性の岩、岩の割れ目、砂利、砂、又はシルトを含む含水地層であり、
    またここで、第二の地下地層は地熱地層から間隔をあけて配置されていて、通常の状況下では、意味のある量の水がその第二の地層と地熱地層の間を自然には通過しない。
  2. 水フィードストリームを第二の地下地層から抽出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 帯水層が、地下５０ｍから４００ｍの間の深さを有する領域に位置する、請求項１に記載の方法。
  4. 帯水層中の水が、飲料水としての利用に適さない水となる１つ以上の汚染物質を含む、請求項１又は請求項３に記載の方法。
  5. 浸透圧パワーユニットを通過後の前記低塩分ストリームに由来するアウトプットストリームが、第一の地下地層中に注入される、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
  6. 浸透圧パワーユニットを通過後の前記低塩分ストリームに由来するアウトプットストリームが、第三の異なる地下地層に注入される、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
  7. 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地域暖房システムに供給する、請求項１～６のいずれかに記載の方法。
  8. 熱パワーユニットが、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、請求項１～７のいずれかに記載の方法。
  9. 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１～８のいずれかに記載の方法。
  10. 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％、例えば少なくとも２０重量％の塩含量を有する、請求項１～９のいずれかに記載の方法。
  11. 水フィードストリームが、１重量％未満の塩含量を有する、請求項１～１０のいずれかに記載の方法。
  12. 非垂直に穿孔することにより、前記地下地層の１つから利用可能な流量を増加させることを含む、請求項１～１１のいずれかに記載の方法。
  13. 請求項１～１２のいずれかに記載の方法に従って第一の発電システムを動作させることと、請求項１～１２のいずれかに記載の方法に従って第二の発電システムを動作させることとを含む発電方法、ここで、第一及び第二のシステムは、同じ地下地層から水フィードストリームを抽出する。
  14. 下記を含む発電システム：
    －地熱地層である第一の地下地層から抽出される温塩水ストリームへの第一の入口接続；
    －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間の塩分濃度の差を利用して、発電するように配置された浸透圧パワーユニット；
    －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るように配置された熱パワーユニット；及び
    －第二の異なる地下地層への第一の出口接続、その第二の地下地層は帯水層であり、その帯水層は浸透性の岩、岩の割れ目、砂利、砂、又はシルトを含む含水地層であり、
    ここで、当該システムは、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パワーユニットに通すように配置され、高い塩分濃度のインプットストリームに由来する廃棄ストリームは、該浸透圧パワーユニットを通過した後、第一の出口を経由して第二の地下地層に通され、
    またここで、第二の地下地層は地熱地層から間隔をあけて配置されていて、通常の状況下では、意味のある量の水がその第二の地層と地熱地層の間を自然には通過しない。
  15. 下記を更に含む、請求項１４に記載の発電システム：
    －第二の地下地層から抽出された水フィードストリームへの第二の入口接続；
    －第一の地下地層への第二の出口接続、
    ここで、当該システムは、水フィードストリームが低塩分フィードストリームとして使用するために浸透圧パワーユニットに通され、浸透圧パワーユニットを通過後の低塩分インプットストリームに由来する廃棄物ストリームが第二の出口を経由して、第一の地下地層へ通されるように構成される。
  16. 請求項１４又は１５に記載の２つ以上の発電システムを備える発電システムであって、第一の発電システムの第一の入口接続が、第二の発電システムの第一の入口接続と同じ地下地層に接続されている発電システム。
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