KR20170052622A - 전기 생산 방법 - Google Patents

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스틴 손더가드 니센
요르겐 매즈 클라우센
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Abstract

본 발명은 전기 생산 방법에 있어서, 지열 형성물로부터 따듯한 염수 스트림을 추출하는 단계, 및 스트림의 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계, 스트림보다 저 염도의 물의 스트림은 막의 타단을 통과하며, 및 따뜻한 염수 스트림의 온도는 스트림이 삼투 전력 유닛으로 진입하기 전에 스트림 내의 존재하는 열에너지가 전기로 전환되는 열 전력 유닛을 통한 통행에 의해 감소되는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 생산 방법{ELECTRICITY GENERATION PROCESS}
본 발명은 전기 발생 방법에 관한 것이다. 특히, 이것은 지열 자원으로부터 획득한 따뜻한 염수 스트림으로부터 생산되는 전기와 관련이 있다.
화석 연료에 의존하지 않는 새롭고 재생가능한 에너지의 자원을 향한 많은 노력이 최근 이루어지고 있다.
연구의 일 분야는 감압 삼투(PRO)로 알려진 방법이다. 이 방법에서, 반투과성 막은 더 응축된 용액에서 덜 응축된 용액을 분리하기 위해 사용된다. 반투과성 막은 용제가 덜 응축된 용액으로부터(삼투압이 낮은) 더 응축된 용액으로(삼투압이 높은) 삼투에 의해 이동하도록 야기할 수 있고, 이는 용제가 확산되는 막의 사이드에서 압력의 증가를 가져온다. 이 압력은 전기를 생산하기 위해 동력으로 사용될 수 있다. 세계적으로 소수의 PRO 공장이 운영중에 있으며, 삼투에 대한 동력으로 염도의 차이를 사용하고, 일반적으로 강 또는 호수로부터 획득한 담수를 덜 농축된 용액에 공급하는 스트림으로 사용하고, 해수를 더 농축된 용액에 공급하기 위해 사용한다. Helfer 등, J. Membrane Sci. 453(2014) 337-358는 PRO를 설명하는 리뷰기사이다. 일반적으로, 지금까지의 PRO 제도는 해수와 강물을 혼합하여 사용해왔고, 파일럿 규모의 공장에서의 방법은 낮은 전력 밀도가 획득됨에 따라 비경제적으로 판단되었다. 약 5
Figure pct00001
전력 밀도 막은 PRO가 경제적으로 존속할 수 있는 이상의 전력 생산 레벨을 나타내는 것으로 제안되었다. 실험실 밖에서 강/해수 혼합 방식의 존재하는 막 기술을 사용하여 전력 밀도의 레벨을 획득하는 것은 불가능했다.
삼투가 포함된 방법에서 지하 형성물의 에너지를 활용하기 위한 다양한 시도가 있다. WO 2013/164541은 직접 삼투에 의해 전력을 생산하는 방법에 대하여 개시하였으며, 덜 응축된 용액은 담수 또는 해수이지만, 더 응축된 용액은 "생산수"이다. 생산수는 탄화수소 생산중 탄화수소 스트림으로부터 분리 이후에 획득된 물이다. WO 2013/164541은 지하 형성물로부터 획득된 소금물 스트림이 더 농축된 용액에 사용될 수 있다고 개시한다.
그러나, 삼투로 인하여 전력을 생산하기 위한 대다수의 시도와 지열 스트림에 내재된 에너지를 동력으로 사용하기 위한 시도는 다른 완전히 다른 접근방식을 취한다. 이는 폐-루프 삼투 시스템에 동력 전달부로써 지열 자원으로부터 획득할 수 있는 열의 사용을 관찰하는 다수의 문헌에 기재되었다. US 2010/0024423은 일반적으로 공급원이 담수와 해수이고 소비된 용액이 다시 환경으로 배출되는 "개 루프" PRO 시스템과 단일 용액이 예를들어 증발에 의해 더 농축되고 덜 농축된 용액으로 분리되는 "폐 루프" 시스템의 차이를 설명한다. 이러한 분리는 산업 폐수와 같은 저품질의 열 자원으로부터 공급될 수 있는 에너지, 또는 지열 열 자원과 같은 재생가능한 에너지를 요구한다. US 2010/0024423의 특정적인 발명은 유도용액이 암모니아와 이산화탄소인 폐 루프 삼투 시스템이다. 폐 루프 시스템을 설명하는 US 2014/0026567 및 Lin 등, Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 5306-53113 를 포함한 다른 문헌에서는 용액을 더 응축된 용액과 덜 응축된 용액으로 분리하기 위한 열 전달 단계가 있고, 열은 지열 자원에 의해 공급된다. 그러나, 지하 지열 형성물에 있는 따뜻한 염수 스트림 에너지의 최대 사용가능양을 수확하기위한 방법은 없다. 따라서, 최근 우리는 지하의 지열 형성물에 존재하는 따뜻한 염수 스트림으로부터 추출된 에너지의 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 발견했다,
본 발명의 목적은 염분 농도의 차이가 있는 해수, 담수, 오수와 같은 수자원으로부터 삼투압의 차이를 이용하여 전력을 생산하는 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전기 생산 방법에 있어서, 지열 형성물로부터 따듯한 염수 스트림을 추출하는 단계, 및 스트림의 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계, 스트림보다 저 염도의 물의 스트림은 막의 타단을 통과하며, 및 따뜻한 염수 스트림의 온도는 스트림이 삼투 전력 유닛으로 진입하기 전에 스트림 내의 존재하는 열에너지가 전기로 전환되는 열 전력 유닛을 통한 통행에 의해 감소되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림의 온도는 스트림의 열 교환기 통과에 의해 감소될 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 45도의 온도를 가질 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 55도의 온도를 가질 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 10wt%의 염분을 가질 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 15wt%의 염분을 가질 수 있다.
바람직하게, 저염도의 물의 스트림은 해수, 담수 또는 강 또는 호수에서 획득되는 염분이 섞인 물 또는 도시 또는 산업 자원으로부터 획득되는 오수일 수 있다.
바람직하게, 삼투 전력 유닛은 염분의 통행은 허용하지 않고 물의 통행만 허락하는 반투과성 막을 포함하는 각각의 삼투 유닛을 하나 이상 포함할 수 있다.
바람직하게, 단일 삼투 유닛의 출력 스트림은 제2 삼투 유닛의 입력 스트림으로 사용될 수 있다.
본 발명은 전력 생산 시스템에 있어서, 지열 형성물로부터 추출된 따뜻한 염수 스트림을 향한 연결, 고 염도의 입력 스트림과 저 염도의 입력 스트림 사이에서 염도의 차이점을 이용하는 감압 삼투(PRO)를 통해 전기를 생산하기위해 배치되는 삼투 전력 유닛, 및 따뜻한 염수 스트림으로부터 열 에너지를 추출함으로써 전기를 생산하기 위해 배치되고 이에 따라 냉각된 출력 스트림이 생성되는 열 전력 유닛을 포함하고, 시스템은 열 전력 유닛의 냉각된 스트림은 고 농도 입력 스트림으로 사용되기 위해 삼투 전력 유닛으로 전달되도록 배치되는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명은 전기 생산 방법에 있어서, 지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림을 추출하는 단계를 포함하고, 및: 스트림의 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계, 스트림보다 저 염도의 물의 스트림은 막의 타단을 통과하며, 및 삼투 전력 유닛은 염분의 통행은 허용하지 않고 물의 통행만 허락하는 반투과성 막을 포함하는 각각의 삼투 유닛을 하나 이상 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, 단일 삼투 유닛의 출력 스트림은 제2 삼투 유닛의 입력 스트림으로 사용될 수 있다.
본 발명은 전기 생산 방법에 있어서, 지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림을 추출하는 단계를 포함하고, 및: (a) 스트림 내부에 존재하는 열 에너지를 전기로 전환하는 단계; 및 (b) 스트림 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계를 포함하고, 스트림보다 저염도의 물의 스트림은 막의 타단을 통과하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, (a)단계는 (b)단계 이전에 수행될 수 있다.
바람직하게, (a)단계는 열 교환기를 통과하는 스트림의 통행에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 45도의 온도를 가질 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 55도의 온도를 가질 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 10wt%의 염분을 가질 수 있다.
바람직하게, 따뜻한 염수 스트림은 적어도 15wt%의 염분을 가질 수 있다.
바람직하게, (b)단계에서 사용되는 저염도의 물의 스트림은 해수, 담수 또는 강 또는 호수에서 획득되는 염분이 섞인 물 또는 도시 또는 산업 자원으로부터 획득되는 오수일 수 있다.
바람직하게, 삼투 전력 유닛은 염분의 통행은 허용하지 않고 물의 통행만 허락하는 반투과성 막을 포함하는 각각의 삼투 유닛을 하나 이상 포함할 수 있다.
바람직하게, 단일 삼투 유닛의 출력 스트림은 제2 삼투 유닛의 입력 스트림으로 사용될 수 있다.
본 발명은 전기 생산 방법에 있어서, 지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림을 추출하는 단계, 및 열 전력 유닛을 통한 통행에 의해 스트림의 열 에너지를 전기로 전환시키는 단계, 및 여기서 상기 따뜻한 염수 스트림의 염도는 물의 통과는 허용하지만 염분의 통과는 허용하지 않는 반투과성 막의 한쪽 면으로 상기 스트림이 지나가는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 상기 스트림이 열 전력 유닛으로 입력되기 전에 감소되고, 상기 막의 다른 면으로 통과되는 상기 스트림 보다 낮은 염도의 물 스트림은 상기 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 전기로 전환시키는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 염분의 농도차를 가진 해수, 담수, 오수를 반투과성 막을 통과시킴으로써 잠재된 에너지를 전기로 변환시키는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 감압 삼투(PRO)를 통해 열 에너지를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 스트림의 염도 차이가 존재하는 한 추가적인 전력 유닛을 배치함으로써 잠재 삼투 에너지를 이용하여 반복적으로 전기를 생산할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 따뜻한 염수 지열 스트림이 열 교환기를 처음으로 통과하고 두번째로 삼투 전력 유닛를 통과하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 따뜻한 염수 스트림이 삼투 전력 유닛을 처음으로 통과하고 두번째로 열 교환기를 통과하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1의 변형에 따른 다수의 삼투 유닛의 사용을 나타낸다.
도 4는 도 3의 변형에 따른 대안적인 입력 스트림을 나타낸다.
도 5는 도 4의 변형에 따른 대안적인 출력 스트림을 나타낸다.
도 6은 도 1 및 도 2의 삼투 전력 유닛(6)을 나타낸다.
본 발명에 제시된 방법은 지열 형성물로부터 염수 스트림을 사용하는 전기 생산의 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 제시된 방법은 지열 형성물로부터 획득한 동일한 따뜻한 염수 스트림으로부터 잠재된 삼투 에너지와 열 에너지 모두를 추출할 수 있다. 동일한 자원으로부터 두가지 상이한 타입의 에너지를 추출함으로써 기대될 수 있는 전력 생산의 증가외에도, 두 에너지 추출 방법은 서로 보완하여 지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림의 특정 조건에 의해 야기되는 각각의 방법내의 비효율을 감소시킬 수 있다.
지열 형성물로부터 염수 스트림은 예를 들어 해수와 비교하면 향상된 염 응축을 제공할 수 있다. 높은 염도의 삼투 전력 유닛의 입력 스트림에서 향상된 염 응축은 감압 삼투(PRO)동안 증가된 전력 밀도를 허용할 수 있다. 일반적으로 지열 형성물로부터 염수 스트림은 더 넓은 환경으로부터 고립되어있기 때문에, 지열 형성물로부터 염수 스트림은 삼투 막이 오염되는 것의 위험을 낮출 수 있고/또는 해수, 또는 다른 선행 기술의 고-염도자원과 비교하여 요구되는 전처리양을 줄일 수 있다. 그러나, 이러한 염수 스트림의 고온은 현재-사용가능한 삼투 막의 작동 효율을 감소시킬 수 있고/또는 현재-사용가능한 삼투 막의 수명을 감소시킬 수 있다.
지열 형성물로부터 염수 스트림은 전기 생산을 위한 열 에너지의 유용한 자원을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 지열 스트림의 높은 염 함량은 발전 과정이 진행되는 동안 온도의 저하가 일어남에 따라 고체염의 침전을 유발할 수 있다. 이러한 침전은 열 발전 유닛의 막힘을 유발하고/또는 열 전기 생산과정에서 효율의 저하를 유발할 수 있다.
열 전력 유닛이 지열 형성물과 삼투 전력 유닛의 입구 사이의 유로에 위치하는 경우, 열 전력 유닛의 출력은 냉각된 염수 스트림일 수 있고, 이는 삼투 전력 유닛으로 보내질 수 있다. 차가운(지열 형성물로부터 따뜻한 스트림과 비교해서) 염수 스트림은 삼투 전력 발생 공정에 지열 형성물로부터 획득된 따뜻한 스트림보다 더욱 적합할 수 있다. 예를 들어, 차가운 염수 스트림은 삼투 막의 효율과/또는 막의 수명의 증가를 야기할 수 있다.
삼투 전력 유닛이 지열 형성물과 열 전력 유닛의 입구 사이에 유로에 위치한 경우, 삼투 전력 유닛의 출력은 염도가 감소된 따뜻한 스트림일 수 있고, 이는 열 전력 유닛으로 보내질 수 있다. 삼투 전력 생산 과정동안 발생하는 따뜻한 스트림의 염도의 감소는 열 전력 생산 과정이 감소되는 동안 온도가 하강할 때 고체 염의 침전을 의미할 수 있고, 이를 통해 막힘이 감소되고/또는 열 발전 방법의 효율이 증가할 수 있다.
편의를 위해 지열 형성물로부터 추출된 따뜻한 염수 스트림에 존재하는 열 에너지의 전기로의 전환과정을 이후에 (a)단계로 언급할 수 있다. 상기 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지 전환과정을 이후에 (b)단계로 언급할 수 있다.
본 발명의 방법은 지열 형성물로부터 획득된 따뜻한 염수 스트림을 사용할 수 있다. 따뜻한 스트림은 종래의 드릴링 기술을 사용하여 추출될 수 있고 단계 (a) 및 (b)를 수행하기 이전의 단계의 필요한 전처리 단계를 일반적으로 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 따뜻한 스트림의 정확한 특성에 따른 다른 종래의 방법과 같이 고체 물질을 제거하기 위한 여과 방법이 요구될 수 있다.
열 전력 유닛은 열 에너지를 전기로 전환하는 유닛으로 정의될 수 있다. 지열 스트림에 포함된 열 에너지의 전기로의 변환은 모든 적절한 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 스트림은 열 교환기를 포함하는 열 전력 유닛을 통과할 수 있다. 대안적으로, 특히 스트림이 매우 고온이고 고압일 때, 열 전력 유닛은 증기 발전기를 포함할 수 있다. 지열 스트림으로부터 증기는 직접적으로 증기 발전기를 가동하기 위해 사용될 수 있다. 종래의 액상 또는 기체상 또는 두가지 상의 따뜻한 스트림을 다루는 수단은 잘 알려져있고, 이러한 수단은 종래의 발명에서 사용되었다. 다양한 조건에서 열 교환기의 사용은 바람직하고, 특히 지열 형성물로부터 나오는 따뜻한 염수 스트림의 초기 온도는 섭씨 150도 이하일 때 더욱 바람직하다.
지열 형성물은 적어도 섭씨 45도씨의, 바람직하게는 적어도 55도씨의 온도를 가진 따뜻한 염수 스트림을 생산할 수 있다. 예를 들어, 지열 형성물은 섭씨 45도와 70도 사이의 온도를 갖는 따뜻한 염수 스트림을 생산할 수 있다. 열 전력 유닛을 통한 따뜻한 염수 스트림의 통과는 전술한 스트림의 온도를 적어도 50%로 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 열 전력 유닛을 통한 통과는 섭씨 45도 내지 70도 사이의 스트림의 온도를 섭씨 15도 내지 20도로 낮출 수 있다.
따뜻한 염수 스트림의 염 함량은 포화될까지 어떠한 함량일 수 있다. 바람직하게 염 함량은 적어도 10%wt 일 수 있고, 15%wt 일 수 있으며, 더욱 바람직하게 20%wt일 수 있다. 지열 자원으로부터 염수 스트림은 염화나트륨이 많은 폭넓게 다양한 용해된 염을 포함할 수 있고, "염 함량"은 전체 염 함량을 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 스트림에 존재하는 염의 정확한 특성은 중요하지 않을 수 있다.
(a)단계에서, 따뜻한 스트림은 전기로 전환되는 열 에너지를 추출하기 위해 하나 또는 이상의 열 교환기와/또는 증기 발전기와 같은 열 전력 유닛을 통과할 수 있다. 종래의 열 전력 발전 시스템의 모든 타입이 사용될 수 있다. (b)단계 이전에 (a)단계가 수행되면, (a)단계의 산물은 냉각된 염수 스트림일 수 있고, 이는 (b)단계의 공급원으로 사용될 수 있다. (b)단계 이후 (a)단계가 수행되는 경우, (a)단계의 산물은 지열 형성물로 재주입, 또는 주변 바다, 강 또는 호수로 방출되는 오염된 스트림일 수 있다.
(b)단계는 삼투에 의해 구동되고, 잠재 삼투 에너지를 전기로 전환할 수 있다. 삼투 전력 유닛은 잠재 삼투 에너지를 전기로 전환하는 유닛일 수 있다. 본 발명의 방법에 적합한 모든 삼투 전력 유닛이 사용될 수 있다. 이러한 유닛의 핵심적인 특징은 물의 통과는 허용하지만 용해된 염분의 통과는 허용하지 않는 반투과성 막의 존재로 이해될 수 있다. 이러한 막은 상업적으로 사용가능하고, 모든 적합한 막이 사용될 수 있다. 또한, 예를들어 지질 또는 물의 통과는 허용하지만 다른 물질의 통과는 허용하지 않는 단백질인 아쿠아포린을 포함하는 양친매성 폴리머 기질을 기반으로 하는 막의 새로운 종류가 사용될 수 있다. 이러한 막은 WO 2004/011600, WO 2010/091078, US 2011/0046074 및 WO 2013/043118에 기재되어 있다. 막의 다른 새로운 종류는 Cohen-Tanugi 등, Nano Lett. 2012, 12(7), 3602-3608 페이지 및 O'Hern 등, Nano Lett. 2014, 14(3), 1234-1241 페이지에 기재된것과 같이 그래핀 기반의 막을 포함할 수 있다. 하나 이상의 막이 존재할 수 있으며, 다른 종류의 막의 조합이 사용될 수 있다. 따라서, 삼투 전력 유닛은 각각 반투과성 막을 포함하는 하나 이상의 삼투 유닛을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 막 뿐만 아니라, 삼투 전력 유닛은 삼투에 의해 생성된 압력 또는 흐름을 전기로 전환하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 수단은 발전기와 연결된 터빈일 수 있으나, 모든 적합한 수단이 사용될 수 있다.
지열 형성물로부터 유래된 염수 공급원 스트림뿐만 아니라, (b)단계는 지열 형성물로부터 유래된 염수 스트림보다 낮은 염도를 갖는 물 스트림인 공급원 스트림을 요구할 수 있다. 이러한 저 염도 스트림은 어떠한 자원으로부터도 획득될 수 있지만, 일반적으로 해수, 강 또는 호수로부터 획득된 염분이 섞인 물 또는 담수, 또는 도시 또는 산업 자원으로부터 획득된 오수일 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 경제성은 지열 우물이 필요한 스트림의 소싱과 스트림 폐기물의 처리 모두가 쉽고 저렴한 바다, 강 또는 호수 근처에 위치할 때 특히 바람직할 수 있다. 본 명세서의 전반에 걸쳐, 문맥상 다른 요구가 없는 경우, "저 염도"는 반드시 0 염도를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그러므로, (b)단계로의 초기 입력은 단일한 높은 염도 스트림일 수 있고, 단일한 낮은 염도 스트림일 수 있다. 막을 지난간 이후, 제1 스트림(초기 높은 염도)는 염도가 줄어들 수 있고, 반면 제2 스트림(초기 낮은 염도)는 염도가 증가할 수 있다. 막을 통한 첫번째 통과로부터 출력 스트림은 기존의 따뜻한 염수 스트림보다 낮은 염도와 기존의 저 염도 스트림보다 높은 염도를 가질 수 있고 - 평형으로, 두 스트림은 같은 염도를 가질 수 있지만, 이는 실제로 획득하기에는 어려움이 있다. 그러므로, 출력 스트림은 기존의 막을 두번째로 통과하기위한 제1 스트림 또는 제2 스트림으로써 재사용될 수 있고, 또는 두번째 막을 통과하기 위한 제1 스트림 또는 제2 스트림으로 재사용될 수 있다. 이러한 재사용된 스트림은 단독으로 사용되거나, 또는 다른 입력 스트림과 어우러져 사용될 수 있다. 지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림에서 염분의 높은 농도는 삼투 전력 발전의 다-단계 사용을 용이하게 할 수 있다. 각각의 단계는 각각의 통과에 대한 초기 입력 스트림간 염도의 차이에 따라 다른 압력과/또는 유량 설정을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 압력과/또는 유량을 조정한다면 방법의 효율을 향상시킬 수 있고, 특별히 복수의 단계가 지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림과 함께 사용되는 경우 방법을 향상시킬 수 있다. 삼투 유닛으로부터 출력 스트림이 저 염도의 초기 입력 스트림보다 높은 염도를 갖는 한, 추가적인 삼투 유닛을 작동시킬 수 있다. 부가적인 사이클의 숫자는 스트림의 초기 함량, 막의 효율, 및 선택된 유속에 따를 수 있다.
(b)단계가 (a)단계 이후에 수행된다면, (b)단계의 최종 출력은 막의 첫번째 면으로부터의 오수 스트림과 막의 두번째면으로부터의 오수 스트림일 수 있고, 이러한 스트림들은 각각 또는 어우러져 처리될 수 있다. 이러한 오수 스트림들은 예를들어 지열 형성물로 재주입, 또는 인근의 바다, 강 또는 호수로 배출되는 것과 같이 요구에 따라 처리될 수 있다. 만약 (b)단계가 (a)단계 이전에 수행된다면, (b)단계의 최종 출력은 염도가 감소되었지만 온도를 유지하고 주변의 온도보다 높은 온도인 기존의 따뜻한 염수 스트림으로부터 유래된 하나의 스트림일 수 있다. 이러한 스트림은 이후 (a)단계를 위한 공급원으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 효율은 따뜻한 염수 스트림의 초기 온도와 압력, 및 스트림에 포함된 염분의 특성과 양에 따를 수 있다. 방법의 효율을 결정하는 다른 주요 특징은 반투과성 막의 성능, 및 막을 통해 획득할 수 있는 물의 유량, 및 막이 배출할 수 있는 염분의 효율의 조합에 따른 최적화 일 수 있다. 전술한 바와 같이 다수의 삼투 유닛을 사용하는 것은 전체적인 방법의 효율에 영향을 끼칠 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 지열 자원으로부터 따뜻한 염수 스트림(1)은 하나 또는 하나 이상의 전-처리 단계(2)를 통과하고 결과 스트림(3)은 열 교환기(4)로 보내질 수 있다. 열 교환기(4)에서, 열 에너지는 추출되고 최종적으로 도시되지 않은 종래의 방법에 의해 전기로 전환되고, 따뜻한 염수 스트림(3)은 냉각되고 냉각된 염수 스트림(5)으로 배출될 수 있다. 스트림(5)는 물의 통과는 허용하지만 염분의 통과는 허용하지 않는 반투과성 막의 단일 면으로만 흐르도록 야기되는(도시되지 않음) 삼투 전력 유닛(6)으로 보내질 수 있다. 예를들어 해수, 강 또는 호수로부터의 물, 또는 오수와 같은 스트림(1,3 및 5) 보다 낮은 염도의 물 스트림(7)은 전-처리 단계(8)를 통과할 수 있고 결과 스트림(9)은 반투과성 막의 다른 면으로 흐르도록 유도되는 삼투 전력 유닛(6)으로 보내질 수 있다. 삼투 전력 유닛(6)내에서, 물은 반투과성 막을 통해 스트림(9)로부터 스트림(5)을 향해 제한된 공간에서 증가된 부피로 인해 압력의 증가를 야기하며 흐를 수 있고, 이러한 과도한 압력은 최종적으로 도시되지 않은 종래의 수단에 의해 전기로 전환될 수 있다. 삼투 전력 유닛(6)으로부터 출력은 예를들어 바다, 강 또는 호수와 같은 스트림(7)이 추출되는 물-자원 또는 스트림(1)이 추출되는 지열 형성물로 재삽입과 같은 요구에 따라 처리된 하나 또는 두 물 배출 스트림(10 및/또는 11)을 형성할 수 있다.
대안적인 실시예는 도 2에 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 지열 자원으로부터 따뜻한 염수 스트림(1)은 하나 또는 하나 이상의 전-처리 단계(2)를 통과할 수 있고 결과 스트림(3)은 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막(도시되지 않음)의 한쪽면으로만 흐를 수 있도록 야기되는 삼투 전력 유닛(6)으로 보내질 수 있다. 예를들어 해수, 강 또는 호수로부터의 물, 또는 오수와 같은 스트림(1 및 3)보다 낮은 염도의 물 스트림(7)은 하나 또는 하나 이상의 전-처리 단계(8)로 보내질 수 있고 결과 스트림(9)은 반투과성 막의 다른면으로 흐를 수 있도록 야기되는 삼투 전력 유닛(6)으로 보내질 수 있다. 삼투 전력 유닛(6)내에서, 물은 스트림(9)로부터 스트림(3)을 향해 제한된 공간에서 상승된 부피 때문에 압력의 증가를 야기하며 흐를 수 있고, 이러한 과도한 압력은 최종적으로 도시되지 않은 종래의 수단에 의해 전기로 변환될 수 있다. 삼투 전력 유닛(6)으로부터 배출 스트림(12)은 반투과성 막을 통과하는 스트림(9)로부터 물의 통과에 의한 부피가 증가된 입력 스트림(3)에 부합할 수 있다. 스트림(12)는 주변 온도 이상이고, 예를들어 열 교환기(4)와 같은 열을 추출하기 위한 수단으로 보내질 수 있다. 열 교환기(4) 내에서, 열 에너지는 추출될 수 있고 최종적으로 도시되지 않은 종래의 수단을 통해 전기로 전환될 수 있다. 뜨거운 스트림(12)은 냉각될 수 있고 스트림(11)으로써 배출될 수 있다. 배출 스트림(10 및 11)은 예를들어 스트림(1)이 추출되는 지열 형성물 또는 스트림(7)이 추출되는 바다, 강 또는 호수와 같은 물 -자원으로 재삽입과 같은 요구에 따라 처리될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 생산 시스템에서 복수의 삼투 유닛(6a, 6b alc 6c)가 직렬로 연결된 도 1의 방법의 변형을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 부호(1 내지 5, 7, 8, 및 10)는 도 1에 주어진 의미를 가질 수 있다. 각각의 삼투 유닛(6a, 6b 및 6c)는 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 기존의 높은 염수 스트림(5)은 반투과성 막의 한쪽면으로 흐르고, 반면 저 염도 스트림(9a)는 다른 면으로 흐를 수 있다. 삼투 유닛(6a)로부터 기존의 지열 입력 스트림(3 및 5)보다 낮은 염분 함량의 출력 스트림(11a)은 반투과성 막의 한쪽면으로만 통과할 수 있는 제2 삼투 유닛(6b)로 공급될 수 있다. 상대적으로 저 염도 물의 제2 입력 스트림(9b)은 하나 또는 하나 이상의 전처리 단계(8)의 통과 이후에 기존의 물 스트림(7)으로부터 획득될 수 있다. 비록 스트림(11a)과 스트림(9b) 사이에서 염도 차이는 스트림(5)과 스트림(9a) 사이의 염도차이보다 낮지만, 여전히 염도 차이는 존재하며, 전기는 삼투에 의해 생산될 수 있다. 삼투 유닛(6b)으로부터 기존 지열 입력 스트림(3 및 5)과 게다가 스트림(11a) 보다 낮은 염분 함량의 출력 스트림(11b)은 상대적으로 저 염분 물의 이전 입력 스트림(9c)으로부터 반투과성 막의 다른 면으로 통과될 수 있는 제3 삼투 유닛(6c)으로 공급될 수 있다. 비록 스트림(11b)과 스트림(9c) 사이의 염도 차이는 스트림(5)과 스트림(9a) 사이의 염도 차이, 또는 스트림(11a)과 스트림(9b) 사이의 염도 차이보다 낮지만, 여전히 염도 차이는 존재하며, 전기는 삼투에 의해 생산될 수 있다. 도 3의 방법으로부터 출력 스트림은 물 출력 스트림(10a, 10b, 10c 및 11c)일 수 있으며, 이러한 스트림은 필요에 의해 처리될 수 있다.
도 4는 상대적으로 저 염도 물의 입력 스트림(9a, 9b 및 9c) 각각이 전처리 단계(8a, 8b 및 8c) 중 하나 또는 이상을 경유하는 분리된 입력 스트림(7a, 7b 및 7c)으로 제공되는 도 3의 변형을 나타낸다.
도 5는 출력 스트림이 다른 방식으로 처리되는 도 4의 변형을 나타낸다. 삼투 유닛(6a)으로부터 출력 스트림(10a, 11a)은 통합될 수 있으며, 적어도 통합된 스트림의 일부는 삼투 유닛(6b)을 향하는 입력 스트림(12)으로 제공될 수 있다. 통합된 스트림(12)은 기존의 지열 입력 스트림(3 및 5) 보다 낮은 염분 함량으르 가질 수 있고, 비록 스트림(12)과 스트림(9b) 사이의 염도의 차이가 스트림(5)과 스트림(9a) 사이의 염도 차이보다 낮더라도, 여전히 염도의 차이는 존재하며, 전기는 삼투에 의해 생산될 수 있다. 이와 유사하게, 삼투 유닛(6b)으로부터 출력 스트림(10b 및 11b)은 통합될 수 있으며, 적어도 통합된 스트림의 일부는 삼투 유닛(6c)을 향하는 입력 스트림(13)으로 제공될 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5는 각각이 반투과성 막을 포함하는 3개의 삼투 유닛으로 구성된 삼투 전력 유닛을 나타내며, 이를 통해 모든 적합한 숫자의 유닛이 사용될 수 있고 사용의 선택은 기술적이고 경제적인 요소에 의해 결정될 수 있음을 확인할 수 있다. 일반적으로, 따뜻한 염수 스트림(1)의 초기 염도가 높을수록 사용되는 삼투 유닛의 개수가 증가될 수 있다.
도 6은 도 1 및 도 2의 삼투 전력 유닛(6)의 상세를 나타낸다. 지열 자원(예를들어 도 1의 스트림(3) 또는 도 2의 스트림(5))으로부터 염수 입력 스트림(20)은 물의 통과는 허용하지만 염분의 통과는 허용하지 않는 반투과성 막을 포함하는 삼투 유닛(21)으로 보내질 수 있고, 및 막(22)의 한쪽 면으로 흐를 수 있다. 스트림(20)보다 낮은 염도의 물 스트림(23)은 삼투 유닛(21)으로 입력될 수 있고 막(22)의 다른 면으로 흐를 수 있다. 화살표(24)들은 삼투에 의해 막(22)을 통과하는 물의 수송 방향을 나타낸다. 더 높은 염분의 농축을 포함하는 기존의 입력 스트림(20)으로 구성된 출력 스트림(25)은 삼투 유닛(21)을 벗어날 수 있다. 더 적은 염분의 농축을 포함하는 입력 스트림(20)으로 구성된 출력 스트림(26)은 발전기(28)를 구동하여 전기를 생산하는 터빈(27)을 통해 삼투 유닛(21)을 벗어날 수 있다.

Claims (22)

  1. 전기 생산 방법에 있어서,
    - 지열 형성물로부터 따듯한 염수 스트림을 추출하는 단계, 및
    - 상기 스트림의 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 상기 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계, 상기 스트림보다 저 염도의 물의 스트림은 상기 막의 타단을 통과하며, 및
    상기 따뜻한 염수 스트림의 온도는 상기 스트림이 상기 삼투 전력 유닛으로 진입하기 전에 상기 스트림 내의 존재하는 열에너지가 전기로 전환되는 열 전력 유닛을 통한 통행에 의해 감소되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림의 온도는 상기 스트림의 열 교환기 통과에 의해 감소되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 45도의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 55도의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법,
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 10wt%의 염분을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 15wt%의 염분을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저염도의 물의 스트림은 해수, 담수 또는 강 또는 호수에서 획득되는 염분이 섞인 물 또는 도시 또는 산업 자원으로부터 획득되는 오수인 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼투 전력 유닛은 염분의 상기 통행은 허용하지 않고 물의 상기 통행만 허락하는 반투과성 막을 포함하는 각각의 삼투 유닛을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    단일 삼투 유닛의 출력 스트림은 제2 삼투 유닛의 입력 스트림으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  10. 전력 생산 시스템에 있어서,
    - 지열 형성물로부터 추출된 따뜻한 염수 스트림을 향한 연결,
    - 고 염도의 입력 스트림과 저 염도의 입력 스트림 사이에서 염도의 차이점을 이용하는 감압 삼투(PRO)를 통해 전기를 생산하기위해 배치되는 삼투 전력 유닛, 및
    - 따뜻한 염수 스트림으로부터 열 에너지를 추출함으로써 전기를 생산하기 위해 배치되고 이에 따라 냉각된 출력 스트림이 생성되는 열 전력 유닛을 포함하고, 상기 시스템은 상기 열 전력 유닛의 상기 냉각된 스트림은 고 농도 입력 스트림으로 사용되기 위해 삼투 전력 유닛으로 전달되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 시스템.
  11. 전기 생산 방법에 있어서,
    지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림을 추출하는 단계를 포함하고, 및:
    - 상기 스트림의 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 상기 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계, 상기 스트림보다 저 염도의 물의 스트림은 상기 막의 타단을 통과하며, 및
    상기 삼투 전력 유닛은 염분의 상기 통행은 허용하지 않고 물의 상기 통행만 허락하는 반투과성 막을 포함하는 각각의 삼투 유닛을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    단일 삼투 유닛의 출력 스트림은 제2 삼투 유닛의 입력 스트림으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  13. 전기 생산 방법에 있어서,
    지열 형성물로부터 따뜻한 염수 스트림을 추출하는 단계를 포함하고, 및:
    (a) 상기 스트림 내부에 존재하는 열 에너지를 전기로 전환하는 단계; 및
    (b) 상기 스트림 내부에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 상기 스트림이 물의 통행은 허용하지만 염분의 통행은 허용하지 않는 반투과성 막의 일단을 통과하는 삼투 전력 유닛을 통한 통행에 의해 전기로 전환시키는 단계를 포함하고, 상기 스트림보다 저염도의 물의 스트림은 상기 막의 타단을 통과하는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 (b)단계 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  15. 제 13 항 및 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a)단계는 열 교환기를 통과하는 상기 스트림의 통행에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 45도의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 섭씨 55도의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 10wt%의 염분을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 따뜻한 염수 스트림은 적어도 15wt%의 염분을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 사용되는 저염도의 상기 물의 스트림은 해수, 담수 또는 강 또는 호수에서 획득되는 염분이 섞인 물 또는 도시 또는 산업 자원으로부터 획득되는 오수인 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼투 전력 유닛은 염분의 상기 통행은 허용하지 않고 물의 상기 통행만 허락하는 반투과성 막을 포함하는 각각의 삼투 유닛을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    단일 삼투 유닛의 출력 스트림은 제2 삼투 유닛의 입력 스트림으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.

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