KR102410905B1 - 발전 방법 - Google Patents

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Abstract

발전 방법이 개시되었다. 본 발명의 방법은 액상 공급 스트림을 염 포메이션으로 주입하여 이에 포함된 염을 용해시키고, 그 후 염 포메이션으로부터 상기 용해된 염을 포함하는 염분 함유 스트림을 추출하는 단계를 포함한다. 또한 본 발명은 물은 투과시키고 염은 투과시키지 않아, 상기 염분 함유 스트림이 반투과성 막의 일면으로 투과되고, 저염분 스트림은 상기 막의 다른 면으로 투과되는 반투과성 막을 포함하는 삼투 전력 유닛을 통하여 투과시킴에 의하여, 상기 염분 함유 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환시키는 것을 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 저 염분 스트림으로부터 유래되는 배출 스트림을 액상 공급 스트림으로 사용하는 것을 포함한다.

Description

발전 방법
본 발명은 전기를 생산하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 염 포메이션의 용해 채광법에서 사용되는 액상 스트림으로부터의 전기 생산 및 용해 채광법 공정 동안 에너지를 하베스팅하기 위한 장치에 관한 것이다.
많은 노력들이 화석 연료에 의존하지 않는 새롭고, 재생 가능한 에너지원에 집중되고 있다.
이와 같은 연구의 하나의 영역은 압력지연 삼투(PRO)로 알려진 방법이다. 이 방법에서, 반투과성 막이 고농도 용액으로부터 저농도 용액을 분리하기 위하여 사용된다. 막에 의하여 용매가 저농도 용액(낮은 삼투압을 갖는)으로부터 고농도 용액(높은 삼투압을 갖는)으로 이동하고, 이는 막의 면에 대한 압력의 증가를 초래하고, 한정된 공간 내에서 증가되는 부피로 인하여 용매는 그 막으로 확산된다. 이와 같은 압력은 전기를 생산하기 위하여 활용될 수 있다. 적은 수의 PRO 플랜트가 전세계적으로 가동중에 있고, 이들은 일반적으로 삼투의 유도력으로 염분의 차이를 사용하고, 이들은 주로 저농도 용액의 공급 스트림으로 강 또는 호수의 담수를 사용하고, 고농도 용액으로는 해수를 사용한다. Helfer et al, J. Membrane Sci. 453 (2014) 337-358는 PRO를 설명하는 리뷰 아티클이다. 이와 같은 파일럿 수준의 플랜트에서, 얻어지는 낮은 전력 밀도 때문에 이와 같은 공정은 비경제적인 것으로 알려졌다. 막의 약 5 W/m2의 전력 밀도는 PRO가 경제적으로 실행 가능할 수 있게 되는 전력 생산의 수준을 나타낸다. 실험실 밖에서, 기존의 막 기술을 사용하여 강/해수 혼합 계획에서 이와 같은 수준의 전력 밀도를 얻는 것은 일반적으로 가능하지 않았다.
삼투를 포함하는 공정에서 지하 포메이션에서 발견되는 에너지를 활용하는 것과 관련하여 수많은 시도들이 있어왔다. WO 2013/164541는 직접 삼투에 의하여 전력을 생산하는 방법을 기술하고 있고, 거기서 고농도 용액은 "생산수(production water)"이고, 저농도 용액은 담수 또는 해수이다. 생산수는 탄화수소 생산 공정에서 탄화수소 스트림으로부터 분리되어 얻어지는 물이다. WO 2013/164541는 또한 지하 포메이션으로부터 얻어지는 브라인(brine) 스트림도 고농도 용액으로 사용될 수 있다고 언급한다.
보다 효율적인 삼투 전력 생산 방법을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 재생 에너지원으로부터 전환이 바람직하지만, 당분간은 적어도 화석 연료가 에너지 믹스의 중요한 부분으로 남아있을 것이라는 것은 명백하다. 따라서, 이와 같은 연료의 저장을 위한 저장 시설에 대한 요구가 남아있을 것이다. 이는 특히 미국 또는 다른 곳에서의 쉐일 포메이션으로부터의 천연가스에 대한 최근의 발견 및 확산되고 있는 개발의 관점에서 천연가스를 저장하기 위하여 이와 같은 요구가 남아있을 것이다.
천연가스 저장을 위한 한가지 알려진 방법은 지하의 염 포메이션 내에 큰 동굴, 예를 들어 염 돔 또는 암염 포메이션을 형성하는 것이다. 이와 같은 동굴은 용해 채광법으로 알려진 방법으로 형성된다. 특히, 용해 채광법은 많은 양의 물(담수)을 지하 염 포메이션으로 주입하는 것을 포함한다. 염은 그 후, 물에 의하여 용해되고, 결과물인 고농도 살린(saline) 또는 농축된 브라인(brine)이 표면으로 돌아온다. 용액으로 채광된 공동은 시간 경과에 따라 점차적으로 수축되고, 용해 채광법은 공동을 유지하기 위하여 주기적으로 반복될 수 있다. 용해 채광법이 천연가스 저장 동굴 형성에 더하여 다른 적용분야가 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 용해 채광법은 다운 스트림 적용분야에서의 사용을 위하여 수용성 미네랄을 추출하는 수단으로 사용될 수 있다.
보다 효율적인 용해 채광법을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
일 면에서, 본 발명은
- 액상 공급 스트림을 염 포메이션에 주입하여 이에 포함된 염을 용해시키고, 그 후 염 포메이션으로부터 상기 용해된 염을 포함하는 염분 함유 스트림을 추출하는 단계; 및
- 물은 투과시키고, 염은 투과시키지 않아, 염분 함유 스트림은 반투과성 막의 일 면으로 흐르고, 저 염분 스트림은 상기 막의 다른 면으로 흐르도록 하는 반투과성 막을 포함하는 삼투 전력 유닛을 통해 투과시킴에 의하여 염분 함유 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환시키는 단계; 및
- 저 염분 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림을 액상 공급 스트림으로 사용한다는 단계;를 포함하는 발전 방법을 제공한다.
다른 면에서, 본 발명은
염 포메이션으로의 연결에 적절하고, 염 포메이션에 액상 공급 스트림을 제공하고, 염 포메이션으로부터 염분 함유 스트림을 추출하기 위하여 배치되는 유압 장치, 및
액상 공급 스트림과 상기 염분 함유 스트림 사이의 염분 차이를 이용하여 압력지연 삼투(PRO)를 통하여 전기를 생산하기 위하여 배치되는 삼투 전력 유닛을 포함하는 전력 생산 시스템을 제공한다.
도 1은 용해 채광법에 의하여 염 포메이션으로부터 생산된 살린(saline)이 1차로 삼투 전력 유닛을 통해 이동하는 본 발명의 일 구체예의 개략도를 보여주고,
도 2는 복수의 삼투 뉴닛이 사용되는 도 1의 변형을 보여주고,
도 3은 대안적인 도입 스트림을 갖는 도 2의 변형을 보여주고,
도 4는 대안적인 배출 스트림을 갖는 도 3의 변형을 보여주고,
도 5는 도 1의 산투 전력 유닛(6)을 보여주고,
도 6은 도 1의 공정을 사용하는 공정 유닛을 보여준다.
본 발명의 방법은 향상된 용액-채광 방법 및/또는 향상된 발전 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 방법은 삼투 전력 생산 공정의 수단에 의하여 용해 채광법 공정에 의하여 생산되는 염분 함유 스트림으로부터 잠재 삼투 에너지를 추출하기 위하여 용해 채광법의 도입 및 배출 스트림 사이의 염분 차이를 이용한다. 용해 채광법 공정의 도입 스트림은 액상 공급 스트림 또는 저 염분 공급 스트림으로도 언급되고, 염 포메이션으로 도입되기 전에 삼투 전력 유닛을 통과한다. 용해 채광법 공정의 배출 스트림은 염분 함유 스트림으로, 염 포메이션으로부터 나온 이후에 삼투 전력 유닛을 통과한다. 삼투 전력 생산은 고-염분 스트림과 저-염분 스트림 사이의 염분 차이를 이용한다. 용해 채광법의 도입 스트림은 저-염분 스트림으로 사용되거나 또는 이로부터 유래될 수 있다. 용해 채광법의 배출 스트림은 고-염분 스트림으로 사용되거나 또는 이의 원료를 형성할 수 있다. 이와 같은 방법으로, 용해 채광법의 도입 스트림은 삼투 전력 유닛에 포함되는 반투과성 막의 일면으로 흐를 수 있고, 반면, 용해 채광법의 배출 스트림은 다른 면으로 흐를 수 있다.
용해 채광법 공정의 도입 및 배출 스트림 사이의 염분 차이를 이용하는 것은 몇가지 면에서 바람직할 수 있다.
삼투 전력 유닛에 의하여 생산되는 전력은 용해 채광법 공정을 구동함에 있어 전체로 또는 일부로 사용될 수 있다. 용해 채광법 공정의 외부 전력 공급에 대한 의존을 제거 또는 감소시키는 것은 보다 원거리 위치 및/또는 보다 이동식인 용해 채광법 장치에 용해 채광법을 활용할 수 있도록 할 것이다. 일정 환경에서, 삼투 전력 유닛은 다른 곳에서 사용될 수 있는 과잉의 에너지를 생산할 수 있다.
용해 채광법에 의하여 생산되는 염분 함유 스트림은 예를 들어, 해수와 비교하여 증가된 염 농도를 제공한다. 삼투 전력 유닛의 고-염분 도입 스트림 내의 증가된 염 농도는 압력지연 삼투(PRO) 동안 증가된 전력 밀도를 가능하게 한다. 용해 채광법 공정의 도입 및 배출 스트림 사이의 높은 삼투압 차이에 의하여 제공되는 증가되는 전력 밀도에 더하여, 용해 채광법으로부터의 염분 함유 스트림은 또한 삼투 막이 기능을 상실하는 위험을 낮추고 및/또는 해수 또는 다른 기존의 고-염분 원과 비교하여 요구되는 관통 양을 감소시키게 되며, 이는 염 포메이션으로부터의 염분 함유 스트림은 주로 더 넓은 환경으로부터 고립되기 ‹š문이다. 따라서, 용해 채광 공정과 삼투 전력 유닛의 조합을 통하여 보다 효율적인 삼투 전력 생산 공정을 얻을 수 있다.
용해 채광법 공정 및 삼투 전력 생산 공정 모두는 가압된 액상 스트림을 요구한다. 용해 채광법 공정은 염 포메이션으로 주입되는 저 염분 공급 스트림과 염 포메이션으로부터 추출되는 고 염분 배출 스트림의 순환 흐름이 요구된다. 삼투 전력 생산 공정은 막의 저-염분 측과 고-염분 측 사이의 압력 차이가 요구된다. 삼투 전력 생산 공정을 용해 채광법 공정과 조합하는 것은 공급 스트림이 용해 채광법 공정의 일부로 이미 가압되기 때문에 삼투 전력 생산 공정을 위하여 공급 스트림을 가압할 필요를 감소 또는 제거하게 되고, 이에 따라 전력 생산 공정의 효율을 향상시킨다.
더욱이, 삼투 전력 생산 공정 중에 막을 가로질러 용매를 이송하는 것을 통하여 염 포메이션으로부터 추출된 염분 함유 스트림을 희석시키게 된다. 이는 예를 들어 환경적 고려에서, 고 염분 스트림이 물의 인접부로 돌아가는 것을 방지하도록 폐기 스트림의 처리를 가능하게 할 수 있다. 따라서, 용해 채광 공정과 삼투 전력 유닛의 조합은 용해 채광법의 폐기물을 처리하는 것을 보다 용이하게 할 수 있다.
마지막으로, 본 발명이 용해 채광법 공정과 삼투 전력 생산 공정을 조합하는 방법은 이들 공정이 분리되어 수행되는 경우와 비교하여 소비되는 담수의 전체 양을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 방법은 용해 채광법 공정을 사용할 수 있다. 용해 채광법 공정으로의 도입은 액상 공급 스트림일 것이다. 액상 공급 스트림의 특성은 염 포메이션으로부터의 염이 공급 스트림에 용해되는 것이어야 하는 것이 이해될 것이다. 액상 공급 스트림은 염 포메이션으로 주입되어, 이에 포함되어 있는 염을 용해시킬 것이다. 용해 채광법 공정의 배출은 염 포메이션으로부터 용해된 염을 포함하는 염분 함유 스트림일 것이다.
본 발명의 방법은 삼투 전력 생산 단계에서 염 포메이션으로부터 얻어지는 염분 함유 스트림을 사용할 수 있다. 염분 함유 스트림은 일반적으로 전력 생산 단계를 수행하기 이전에 임의의 필요한 관통 단계의 대상이 된다. 예를 들어, 고체 물질의 제거를 위한 여과가 필요할 수 있고, 스트림의 정확한 특성에 따라 다른 통상적인 공정이 필요할 수 있다.
염분 함유 스트림의 염 함량은 포화에 이르기까지 임의의 값일 수 있다. 바람직하게는 염 함량은 적어도 10 wt%, 바람직하게는 적어도 15 wt%, 바람직하게는 적어도 20 wt%, 특히 적어도 25 wt%이다. 용해 채광법에 의하여 생산되는 염분 함유 스트림은 광범위한 종류의 용해된 염을 포함할 수 있고, 그 중 염화나트륨이 우세하고, "염 함량"은 총 염 함량을 의미한다. 이와 같은 스트림 내의 염의 정확한 특성은 중요하지 않다. 유사하게, 고-염분 및 저-염분의 용어는 이에 상응하는 "염 함량"을 갖는 스트림을 의미하는 것으로 사용되고, 그와 같은 스트림에 존재하는 염의 정확한 특성은 중요하지 않다.
염 포메이션은 염 돔 또는 암염 포메이션일 수 있다. 염 포메이션은 지하일 수 있다. 염 포메이션은 하나 이상의 관통 구멍을 통하여 접근이 가능할 수 있다. 액상 공급 스트림은 관통 구멍을 통하여 염 포메이션으로 주입될 수 있다. 염분 함유 스트림은 관통 구멍을 통하여 염 포메이션으로부터 추출될 수 있다. 공급 스트림과 염분 함유 스트림은 통상적인 방법을 통하여 염 포메이션으로 주입되고 이로부터 추출될 수 있다.
용해 채광 공정은 천연가스의 저장을 위하여 염 포메이션 내의 염 공동을 생성 및/또는 유지하기 위하여 사용될 수 있다. 용해 채광 공정은 산업적, 도시, 또는 가정용 목적 또는 적용분야를 위하여 염을 추출하기 위하여 사용될 수 있다.
삼투 전력 생산 공정은 삼투에 의하여 가동되고, 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환시킨다. 삼투 전력 유닛은 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환하는 유닛이다. 임의의 적절한 삼투 전력 유닛이 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 이와 같은 유닛의 중요한 특징은 물은 투과시키고, 용해된 염은 투과시키지 않는 반투과성 막의 존재이다. 이와 같은 막은 상업적으로 입수 가능하고, 임의의 적절한 막이 사용될 수 있다. 더욱이, 신규한 형태의 막, 예를 들어, 물은 투과시키고, 다른 물질은 투과시키지 않는 단백질인 아쿠아포린(aquaporins)을 포함하는 지질 또는 양친매성 고분자 매트릭스에 기초하는 막이 사용될 수 있다. 이와 같은 막은 예를 들어, WO 2004/011600, WO 2010/091078, US　2011/0046074 및 WO 2013/043118에 기술되어 있다. 다른 신규한 형태의 막은 그래핀 기반 막이고, 예를 들어, 이와 같은 막은 Cohen-Tanugi et al, Nano Lett. 2012, 12(7), pp. 3602-3608 및 O'Hern et al, Nano Lett. 2014, 14(3), pp. 1234-1241에 기술되어 있다. 하나 이상의 막이 존재할 수 있고, 서로 다른 종류의 막의 조합이 사용될 수 있다. 따라서, 삼투 전력 유닛은 둘 이상의 삼투 유닛을 포함할 수 있고, 각 삼투 유닛은 반투과성 막을 포함한다. 적어도 하나의 막 뿐만 아니라, 삼투 전력 유닛은 삼투에 의하여 생성되는 압력 또는 흐름을 전기로 변환하기 위한 수단을 포함할 것이다. 특히, 이와 같은 수단은 제너레이터에 연결된 터빈일 것이나, 임의의 적절한 수단이 사용될 수 있다.
용해 채광법 공정에 의하여 생산되는 염분 함유 스트림뿐만 아니라, 삼투 전력 생산 공정도 염 포메이션으로부터 추출되는 염분 함유 스트림보다 저 염분을 갖는 액상 스트림인 공급 스트림을 요구한다. 이와 같은 저 염분 스트림은 임의의 소스로부터 얻어질 수 있고, 주로, 해수, 예를 들어 강 또는 호수로부터 얻어지는 담수 또는 담함수, 또는 산업 또는 도시의 소스로부터 얻어지는 폐수일 수 있다. 본 발명에 따른 공정의 경제성은 특히 필요한 스트림의 원천 및 폐기 스트림의 처리 모두가 용이하고 저렴할 수 있도록 염 포메이션이 해변, 강 또는 호수에 인접하여 위치할 때 특히 바람직할 수 있다. 본 명세서에서 맥락상 달리 요구되지 않는 이상, "저 염분"은 0의 염분을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 삼투 전력 생산 단계로의 초기 도입은 하나의 고 염분 스트림(염분 함유 스트림) 및 하나의 저 염분 스트림이다. 막에 의한 투과 이후에, 제1 스트림(초기 고 염분)은 염분이 감소될 것이고, 제2 스트림(초기 저 염분)은 염분이 증가할 것이다. 막에 의한 제1 투과로부터의 배출 스트림은 모두 원래의 염분 함유 스트림보다 낮은 염분을 갖고, 및 원래의 저 염분 스트림보다 더 높은 염분을 가질 것이고, 평형 상태에서, 두개의 스트림은 동일 염분을 가질 것이나, 이는 실제로는 쉽게 발생하지 않는다. 따라서, 배출 스트림은 원래의 막에 의하여 제2 투과를 위한 제1 스트림 또는 제2 스트림으로 재사용될 수 있고, 또는 제2 막으로의 제1 스트림 또는 제2 스트림으로 재사용될 수 있다. 이와 같은 재사용되는 스트림은 단독으로 사용되거나, 또는 다른 도입 스트림과 혼합될 수 있다.
염 포메이션으로부터의 염분 함유 스트림 내의 염의 고 농도는 다단계 삼투 전력 생산의 사용을 가능하게 할 수 있다. 각 단계는 각각의 투과를 위한 초기 도입 스트림들 사이의 염분 차이에 따른 압력차 및/또는 플럭스 세팅을 가질 수 있다. 이와 같은 방법으로의 압력 및/또는 플럭스 세팅 조절은 공정의 효율을 증가시킬 수 있고, 특히, 복수의 단계들이 염 포메이션으로부터의 염분 함유 스트림과 함께 사용될 때 공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 삼투 유닛으로부터 배출되는 스트림이 저 염분의 초기 도입 스트림 보다 높은 염분을 갖는 한, 추가적인 삼투 유닛을 구동하는 것이 가능하다. 최적의 사이클 수는 스트림의 초기 함량, 막의 효율, 및 선택된 유속에 의해 달라질 것이다.
삼투 전력 유닛은 둘 이상의 삼투 유닛을 포함할 수 있고, 각 삼투 유닛은 물은 투과시키고, 염은 투과시키지 않는 반투과성 막을 포함한다. 각 삼투 유닛으로부터의 배출은 막의 제1 면(초기 고 염분)으로부터의 제1 배출 스트림과 막의 제2 면(초기 저 염분)으로부터의 제2 배출 스트림일 것이다. 이와 같은 스트림은 분리하여 조절될 수 있고, 또는 적어도 부분적으로는 혼합되어 조절될 수 있다.
삼투 전력 유닛으로부터의 배출은 하나 이상의 배출 스트림일 것이다. 삼투 전력 유닛에서의 삼투 유닛의 수와 각 삼투 유닛으로부터의 배출 스트림이 조절되는 방법에 따라 이와 같은 배출 스트림의 특성은 달라질 수 있다.
삼투 전력 유닛으로부터의 적어도 하나의 배출 스트림은 원래의 저 염분 스트림으로부터 유래될 것이다. 이와 같은 스트림은 고 염분을 가질 수 있으나, 여전히 염 포메이션으로부터 염을 용해시킬 수 있다. 이와 같은 스트림은 염 포메이션으로 주입되는 액상 공급 스트림으로 사용된다.
삼투 전력 유닛으로부터의 하나의 배출 스트림은 폐 스트림일 수 있다. 폐 스트림은 원래의 저 염분 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림보다 더 고 염분을 가질 수 있다. 폐 스트림은 예를 들어 인접 바다, 강 또는 호수로 배출됨에 의하여 요구되는 바에 따라 처리될 수 있다. 인접하는 물로의 허용되는 배출 농도에 따라, 허용되는 염 농도가 폐 스트림에서 얻어질 때까지 시스템의 삼투 유닛의 수는 다양할 수 있다.
본 발명의 방법의 효율은 염분 함유 스트림의 초기 온도 및 압력, 및 또한 스트림이 포함하는 염의 양 및 특성에 따라 달라질 것이다. 본 발명의 효율을 결정하는 다른 주요 요소는 반투과성 막의 성능일 것이고, 최적화는 두가지 요인의 조합에 달려있다: 막을 통하여 얻어질 수 있는 물의 플럭스, 및 막이 염을 제거할 수 있는 효율. 상기한 바와 같이 복수의 삼투 유닛을 사용하는 것은 또한 전체 공정의 효율에 영향을 줄 수 있다.
액상 공급 스트림을 주입하는 단계, 염분 함유 스트림을 추출하는 단계, 및 잠재 삼투 에너지를 변환하는 단계는 동시에 수행되는 것이 이해될 것이다.
본 발명은 전력 생산 시스템을 제공할 수 있다. 전력 생산 시스템은 유압 장치를 포함할 수 있다. 전력 생산 시스템은 삼투 전력 유닛을 포함할 수 있다. 전력 생산 시스템은 이동식 플랫폼, 예를 들어 자동차, 예를 들어, 트럭, 대형 수송차(HGV), 또는 유사한 차, 또는 이와 같은 차와 함께 사용되는 트레일러에 장착될 수 있다. 삼투 전력 유닛 및/또는 유압 장치를 포함하는 전력 생산 시스템을 이동식 플랫폼에 장착하는 것은 용해 채광법을 전력 공급이 제한되는 위치에서 사용할 수 있도록 할 수 있다. 방법은 이동식 플랫폼에 장착된 전력 생산 시스템을 지하 염 포메이션을 갖는 제1 위치로 이동시키는 것을 포함한다. 방법은 제1 위치에서 본 발명의 방법을 수행하는 것을 포함한다. 방법은 이동식 플랫폼에 장착된 전력 생산 시스템을 지하 염 포메이션을 갖는 제2의 다른 위치로 이동시켜, 제2 위치에서 본 발명의 방법을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 장치는 용해 채광법 시스템을 포함할 수 있다. 용해 채광법 시스템은 용해 채광법 공정을 수행하기 위한 다른 일반적인 수단들과 함께 하나 이상의 펌프 및 조절 시스템을 포함할 수 있다. 용해 채광법 시스템의 적어도 일부, 예를 들어 하나 이상의 펌프 및/또는 조절 시스템은 이동식 플랫폼에 장착될 수 있다.
염 포메이션이 지하 염 포메이션인 경우에, 삼투 전력 유닛은 지상에 위치할 수 있다. 삼투 전력 유닛은 이동식 플랫폼에 위치할 수 있고, 예를 들에 이에 장착될 수 있다.
본 발명의 방법상 공정은 삼투 전력 유닛이 전기를 생산하기 때문에 발전 방법으로 기술될 수 있음을 이해할 것이다. 생산되는 전기의 양은 공정 파라미터에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다. 삼투 전력 유닛은 충분한 전기를 생산하여 용해 채광 공정을 구동하고, 다른 곳에서의 사용을 위한 초과분을 제공하거나, 또는 용해 채광 공정을 구동할 정도로만 충분한 전기를 생산하거나, 또는 삼투 전력 유닛에 의하여 제공되는 것에 더하여 외부의 전력 공급이 용해 채광 공정을 구동하기 위하여 요구될 수도 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 구체예는 도 1에 개략적으로 도시된다. 도 1에서, 염 포메이션(1)으로부터 추출된 염분 함유 스트림(2)은 하나 이상의 전처리 단계(3)를 거치고, 결과 스트림(4)은 삼투 전력 유닛(6)으로 이동되어, 물은 투과시키고, 염은 투과시키지 않는 반투과성 막(미도시)의 일 면으로 흐르게 된다. 스트림(2) 및 스트림(4)보다 낮은 염분을 갖고, 예를 들어 해수, 강 또는 호수 또는 폐수로부터의 물일 수 있는 물 소스(5)로부터의 액상 스트림(7)은 하나 이상의 전처리 단계(8)를 거치고, 결과 스트림(9)은 삼투 전력 유닛(6)으로 이동하여, 반투과성 막의 일 면으로 흐르게 되다. 삼투 전력 유닛(6) 내에서, 물은 스트림(9)으로부터 스트림(4)로 반투과성 막을 통하여 흐르고, 이에 의하여 한정된 공간 내에서 부피가 증가하여 압력이 증가하게 되고, 이 초과 압력은 결과적으로 도시되지 않은 일반적인 수단에 의하여 전기로 변환된다.
이 물의 흐름은 초기 저 염분 스트림(9)의 염분을 증가시킬 것이고, 제2 스트림(4)의 염분을 감소시킬 것이다. 삼투 전력 유닛(6)의 배출은 초기 저 염분 스트림으로부터 유래한 액상 배출 스트림(10) (즉, 스트림(9)에서 반투과성 막을 통하여 흐르는 물을 제외한 것) 및 염분 함유 스트림으로부터 유래한 액상 배출 스트림(11)(즉, 스트림(4)에 반투과성 막을 통하여 흐르는 물을 포함한 것)을 형성한다. 액상 배출 스트림(10)은 염 포메이션(1)으로 주입되고, 주입된 액상 배출 스트림은 염 포메이션에 포함된 염을 용해시키고, 이어서 염분 함유 스트림(2)으로 추출된다. 액상 배출 스트림(11)은 스트림(7)이 추출되는 물 소스(5), 예를 들어 바다, 강, 또는 호수로 배출될 수 있다. 대안으로, 액상 배출 스트림(11)의 일부 또는 모두는 염 포메이션으로의 삽입을 위하여 액상 배출 스트림(10)과 조합될 수 있다. 다른 구체예에서, 액상 배출 스트림(11)은 산업적 사용을 위하여 염 및/또는 다른 포함된 미네랄을 추출하기 위하여 추가적인 공정 단계의 대상이 될 수 있다.
도 2는 도 1의 단계의 변형의 일부를 보여주고, 삼투 전력 유닛(5)은 직렬로 연결된 복수의 삼투 유닛(6a, 6b 및 6c)를 포함한다. 유사 구성들은 유사 번호로 표시되었다. 도 1과 상이한 도 2 구체예의 구성들에 대해서만 설명한다. 각각의 삼투 유닛(6a, 6b, 6c)은 물은 투과시키고, 염은 투과시키지 않는 반투과성 막(미도시)을 포함한다. 저 염분 스트림(9)은 3 개의 스트림(9a, 9b, 9c)으로 분리되어 삼투 유닛(6a, 6b, 6c)의 서로 다른 각각으로 흐른다. 원래의 고 염분 함유 스트림(4)은 제1 유닛(6a)의 반투과성 막의 일 면을 흐르고, 원래의 저 염분 스트림(9)으로부터 얻어진 저 염분 스트림(9a)은 다른 면으로 흐른다. 삼투 유닛(6a)으로부터의 배출 스트림(10a)은 저 염분 스트림(9a)으로부터 유래하는데, 도 1과 연관되어 설명된 바와 같이 염 포메이션으로 주입된다. 삼투 유닛(6a)으로부터의 배출 스트림(11a)은 원래의 도입 스트림(4)보다 낮은 염 함량을 갖고, 반투과성 막의 일 면을 투과하는 제 2 삼투 유닛(6b)로 주입된다.
스트림(9)로부터 얻어지는 상대적으로 저 염분 물의 제2 도입 스트림(9b)은 다른 면으로 흐른다. 스트림(11a)과 스트림(9b) 사이의 염분 차가 스트림(4)와 스트림(9a) 사이의 염분 차이보다 낮지만, 여전히 염분의 차이가 있고, 전기는 삼투에 의하여 생산될 수 있다. 삼투 유닛(6b)으로부터의 배출 스트림(10b)은 저 염분 스트림(9b)로부터 유래하는데, 도 1과 관련되어 설명된 바와 같이 염 포메이션으로 주입된다. 삼투 유닛(6b)으로부터의 배출 스트림(11b)은 원래의 도입 스트림(4)보다 낮은 염 함량을 갖고, 또한 스트림(11a)보다 낮은 염 함량을 갖는데, 상대적으로 저 염분 물의 추가적인 도입 스트림(9c)으로부터 반투과성 막의 다른 면을 투과하는 제3 삼투 유닛(6c)으로 주입된다. 스트림(11b)과 스트림(9c) 사이의 염분 차이는 스트림(4)와 스트림(9a) 또는 스트림(11a)과 스트림(9b) 사이의 염분 차이보다 낮으나, 여전히 염분의 차이가 있고, 전기는 삼투에 의하여 생산될 수 있다. 삼투 유닛(6c)로부터의 배출 스트림(10c)은 저 염분 스트림(9c)로부터 유래하고, 도 1과 연관되어 설명된 바와 같이 염 포메이션으로 주입된다. 도 2의 방법으로부터의 배출 스트림은 액상 배출 스트림(10a, 10b, 10c)이고, 초기 저 염분 스트림(9)으로부터 유래하고, 염 포메이션으로 주입되고, 액상 스트림(11c)은 염분 함유 스트림(4)로부터 유래한다.
도 3은 도 2의 변형을 보여주고, 상대적으로 저 염분 물의 도입 스트림(9a, 9b, 9c)이 분리된 도입 스트림(7a, 7b, 7c)로서 제공되고, 각각은 하나 이상의 전처리 단계(8a, 8b, 8c)를 거친다.
도 4는 도 3의 변형을 보여주고, 배출 스트림이 다른 방법으로 처리된다. 삼투 유닛(6a)으로부터의 배출 스트림(10a, 11a)이 혼합되고, 혼합된 스트림의 적어도 일부는 도입 스트림(12)으로 삼투 유닛(6b)으로 제공된다. 혼합된 스트림(12)은 원래의 도입 스트림(4)의 염 함량보다 낮은 염 함량을 가질 것이고, 스트림(12)과 스트림(9b) 사이의 염분 차이가 스트림(4)과 스트림(9a) 사이의 염분 차이보다 낮지만, 여전히 염분 차이가 있기 ‹š문에, 전기는 삼투에 의하여 생산될 수 있다. 유사하게, 삼투 유닛(6b)로부터의 배출 스트림(10b, 11b)은 혼합되고, 혼합된 스트림의 적어도 일부는 도입 스트림(13)으로 삼투 유닛(6c)으로 공급된다.
도 2, 3, 및 4는 각각이 반투과성 막을 포함하는 3 개의 삼투 유닛(6)으로 이루어진 삼투 전력 유닛(6)을 보여주지만, 임의의 적절한 수의 유닛이 사용될 수 있고, 선택은 기술적 및 경제적 요인의 조함에 의하여 결정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 염분 함유 스트림(1)의 초기 염분이 높을수록, 사용될 수 있는 삼투 유닛의 수가 더 많다.
도5는 도 1의 삼투 전력 유닛(5)의 보다 세부적인 사항을 보여준다. 염 포메이션으로부터 추출되는 염분 함유 스트림(20)(예를 들어, 도 1의 스트림(2) 또는 스트림(4))은 물은 투과시키고, 염은 투과시키지 않는 반투과성 막(22)을 포함하는 삼투 유닛(21)을 통과하고, 막(22)의 일면으로 흐른다. 스트림(20)보다 낮은 염분을 갖는 액상 스트림(23)은 삼투 유닛(21)으로 들어가서, 막(22)의 다른 면으로 흐른다. 화살표(24)는 막(22)을 가로지르는 삼투에 의한 물의 이동 방향을 보여준다. 원래의 도입 스트림(23)으로부터 유래하고, 이제 높은 염 농도를 포함하는 배출 스트림(25)은 삼투 유닛(21)으로부터 배출된다. 원래의 도입 스트림(20)으로 이루어지고, 이제 낮은 염 농도를 포함하는 배출 스트림(26)은 제너레이터(28)를 구동하고 전기를 생산하는 터빈(27)을 통하여 삼투 유닛으로부터 배출된다.
도 6은 염 포메이션(152)와 함께 사용되기 위한 이동식 생산 유닛(150)의 개략적 다이어그램을 보여준다. 관통 구멍(153a, 153b)은 염 포메이션(152) 내에 위치하는 염 공동(154)의 표면으로부터 연장된다. 생산 유닛(150)의 유출 포트(156)는 관통 구멍(153a)에 연결되고, 유입 포트(157)는 관통구멍(153b)에 연결된다(이와 같은 연결은 도 6에서 점선으로 표시됨). 이동식 유닛(150)은 또한 삼투 전력 유닛(158), 및 펌프 및 명확화를 위하여 도시되지 않은 용해 채광법 시스템의 다른 요소들을 포함한다. 이동식 유닛(150)은 나아가 유입 포트(162) 및 유출 포트(164)를 포함하고, 이들 모두는 물 소스(미도시)에 연결된다. 이동식 유닛(150) 내에서, 유압 장치는 삼투 전력 유닛(158)을 다음과 같이 다양한 포트에 연결한다(도 6에서 점선으로 표시됨);
유입 포트(162)는 삼투 전력 유닛의 저-염분 주입으로 연결되고, 유출 포트(164)는 삼투 전력 유닛(158)의 폐 배출 부와 연결되고, 유출 포트(156)는 저-염분 도입 부로부터 유래되는 스트림을 위한 삼투 전력 유닛 배출과 연결되고, 유입 포트(157)는 삼투 전력 유닛(158)의 고-염분 도입 부로 연결된다. 펌프(미도시)는 유체를 요구되는 위치로 이동시키기 위하여 유압 장치의 다양한 지점에 위치된다.
사용시에, 저 염분 스트림은 펌프의 작동 하에서 포트(162)를 통하여 물 소스로부터 삼투 전력 유닛(158)으로 이동된다. 막(미도시)을 투과한 이후에, 저-염분 도입으로부터 유래하는 스트림은 포트(156)을 통하여 염 공동(154)으로 관통 구멍(153a)을 따라 펌프에 의하여 하방 주입된다. 동시에, 거의 포화된 염분 함유 스트림은 펌프의 작동 하에서 염 공동(154)으로부터 관통 구멍(153b)을 통해 올라와서, 포트(157)를 통하여 공정 유닛으로 들어온다. 포트(157)로부터 염분 함유 스트림은 삼투 전력 유닛의 고-염분 도입으로 펌핑된다. 막(미도시)을 투과한 이후에, 고-염분 도입으로부터 유래하는 스트림은 포트(164)를 통하여 방출되고, 물 소스로 돌아오게 된다.

Claims (17)

  1. 액상 공급 스트림을 염 포메이션으로 주입하여 이에 포함되어 있는 염을 용해시키고, 그 후 염 포메이션으로부터 상기 용해된 염을 포함하는 염분 함유 스트림을 추출하는 단계; 및
    물은 투과시키고, 염은 투과시키지 않아 염분 함유 스트림이 반투과성 막의 일면을 투과하고, 저 염분 스트림은 상기 막의 다른 면을 투과하도록 하는 반투과성 막을 포함하는 삼투 전력 유닛을 통하여 투과시킴에 의하여, 압력지연 삼투(PRO)를 통하여 상기 염분 함유 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환하는 단계;
    저 염분 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림을 액상 공급 스트림으로 사용하는 단계; 및
    염포메이션으로의 주입을 위하여, 염분 함유 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림의 일부 또는 전부를 저 염분 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림과 혼합하는 단계를 포함하는 발전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 염 포메이션은 염 돔(salt dome) 또는 암염(rock salt) 포메이션인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액상 공급 스트림을 주입하고, 염분 함유 스트림을 추출하는 단계는 천연가스의 저장을 위하여 염 포메이션 내의 염 공동(salt cavern)을 형성 또는 유지하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액상 공급 스트림을 주입하고 염분 함유 스트림을 추출하는 단계는 산업적 목적, 도시의 목적, 또는 가정용 목적을 위하여 염을 생산하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 삼투 전력 유닛에 의하여 생산되는 전기의 적어도 일부는 액상 공급 스트림을 주입하고 염분 함유 스트림을 추출하는 단계를 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 삼투 전력 유닛은 둘 이상의 삼투 유닛을 포함하고, 이들 각각은 물은 투과시키지만 염은 투과시키지 않는 반투과성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  7. 제6항에 있어서, 하나의 삼투 유닛으로부터의 배출 스트림은 제 2 삼투 유닛을 위한 도입 스트림으로 사용되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 염분 함유 스트림은 적어도 10 wt%의 염 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  9. 제8항에 있어서, 염분 함유 스트림은 적어도 15 wt%의 염 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  10. 제9항에 있어서, 염분 함유 스트림은 적어도 25 wt%의 염 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액상 공급 스트림은 해수, 담수, 강 또는 호수로부터 얻어지는 담함수, 또는 산업 또는 도시의 소스(source)로부터 얻어지는 폐수인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 삼투 전력 유닛은 이동식 플랫폼에 장착되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  13. 액상 공급 스트림을 염 포메이션으로 공급하고, 염분 함유 스트림을 염 포메이션으로부터 추출하기 위하여 배치되고, 염 포메이션으로 연결한 유압 장치, 및
    액상 공급 스트림과 상기 염분 함유 스트림 사이의 염분의 차이를 이용하는 압력지연 삼투(PRO)를 통하여 전기를 생산하기 위하여 배치되는 삼투 전력 유닛을 포함하되,
    상기 삼투 전력 유닛으로부터의 배출 스트림은 상기 액상 공급 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림과 상기 염분 함유 스트림으로부터 유래하는 배출 스트림이고,
    염포메이션으로의 주입을 위하여, 상기 염분 함유 스트림으로터 유래하는 배출 스트림의 일부 또는 전부가 액상 공급 스트림으로부터 유래하는 배출스트림과 혼합되도록 구성되는 전력 생산 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 전력 생산 시스템은 이동식 플랫폼 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 유압 장치는 저 염분 물-소스(source)로 연결하고, 상기 물 소스로부터 저염분 스트림을 추출하고, 상기 저 염분 스트림을 삼투 전력 유닛으로 전달하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 액상 공급 스트림은 저 염분 스트림으로부터 유래하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
  17. 삭제
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