KR20220093130A - 선택적 재순환을 통한 지열 에너지 회수 공정 - Google Patents

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KR20220093130A
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

지열 에너지 회수 시스템 및 방법은 주입정을 통해 이산화탄소를 지열 저장소에 주입하는 단계, 이전에 주입된 이산화탄소 및 저장소 내 이산화탄소 흐름에 동반된 탄화수소를 포함하는 작동 유체를 추출정으로부터 추출하는 단계, 화학 조성을 기반으로 하여 가열된 작동 유체의 성분을 분리하는 단계, 에너지 회수 효율을 위해 최적화된 화학 조성을 갖는 출력되는 개질된 작동 유체를 생성하기 위해 분리된 성분을 추출된 작동 유체의 현재 조건에 따라 선택적으로 혼합하는 단계; 및 개질된 작동 유체를 팽창시켜 기계적 또는 전기적 에너지를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

선택적 재순환을 통한 지열 에너지 회수 공정
[이전출원에 대한 상호참조]
본 출원은 2019년 11월 11일자로 출원된 "선택적 재순환을 통한 지열 에너지 회수 공정"이라는 발명의 명칭의 미국 특허 출원 제16/679,918호에 대한 이익 및 우선권을 주장한다.
본 개시는 초임계 CO2 및 혼합물을 작동 유체(working fluid)로 사용하는 지열 에너지(geothermal energy)를 회수하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
지구 표면 아래(sub-surface) 온도는 깊이에 따라 증가하고 난방 및 전력 생성을 위해 이러한 열 에너지를 "채굴"하려는 노력이 이루어졌다는 것은 오래 전부터 알려져 왔다. 기후 변화 및 온실 가스 배출에 대한 우려가 높아짐에 따라 정부 및 기업들은 그들의 에너지 집약도(energy intensity) 및 탄소 발자국(carbon footprint)을 줄이기 위한 방법을 찾고 있다. 태양열, 풍력 및 지열과 같은 재생 가능 에너지는 특히 상당한 연구 및 대량 전개(mass deployment)로 인한 재생 가능 에너지 가격의 급격한 하락과 함께 종종 기술 포트폴리오의 일부분이 된다.
이들 중, 석유 및 가스 회사는 환경적 영향이 가장 적은 에너지 제품을 제공하기 위해 그들의 에너지 집약도 및 탄소 발자국을 줄이는 데 가장 관심이 많다. 많은 석유 및 가스(O&G) 회사들은 탄소 포집 활용 및 격리를 향상시키는 데 O&G 산업 전문 지식을 활용하고자 그들의 운영에 재생 가능 에너지를 채택하였다. O&G 산업은 탄소를 저장할 수 있는 상당한 지하 매장량 및 지표 밑 과학 및 저장소에 대한 경험 및 지식 때문에 탄소 격리를 지원하는 데 특히 더 적합하다.
지열 에너지를 포착(capture)하기 위한 작동 유체로서 이산화탄소(CO2)를 사용함으로써 지열 에너지 생산과 탄소 활용 및 격리라는 목표를 동시에 충족시킬 수 있다. 이를 통해 많은 양의 이산화탄소를 지하에 저장하고, 에너지 포착에 사용하고, 재활용할 수 있다. 그러나, 지열 에너지를 효율적으로 포착하기 위해서는 CO2의 온도 및 압력을 높은 수준으로 유지해야 한다. 이와 관련하여, 초임계 CO2(지하 조건이 허용하는 경우, 온도 압력 위상 그래프(temperature pressure phase graph)에서 삼중점(triple point)을 넘어서는 CO2)는 많은 기존의 지열 포착 기술을 대체할 수 있는 가능성을 보여주었다.
CO2 사이클 효율은 CO2 삼중점 온도 아래의 액체 CO2 압축과 비교해서 특히 주변 온도가 CO2 임계점을 초과하여 에너지 집약적 가스 또는 초임계 CO2 압축으로 이어지는 경우에 주변 조건에 따라 크게 달라진다. Kravanja 등은 "CO2, 에탄 및 그들의 공비 혼합물(Azeotropic Mixture)의 열 전달 성능"에서 에탄-CO2 공비 혼합물이 일부 조건 하에서는 순수한 CO2에 비해 에너지 시스템에서 작동 유체로서 더 효율적일 수 있다는 것을 보고하였다.
높은 주변 온도 조건 하에서 초임계 CO2를 사용할 때의 문제점을 고려하여, 본 개시는 작동 유체 조성 제어에 의해 고온 조건에 지열 회수를 적응시키는 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 지열 에너지 회수를 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 추출정(extraction well)에 결합된 입력 포트(input port)를 가지고 있고, 그로부터 이산화탄소 및 탄화수소를 포함하는 추출된 작동 유체를 받아들이고, 추출된 작동 유체를 액체 부분 및 증기 부분으로 분리하도록 가동되는 상 분리기(phase separator); 상 분리기 하류에 결합되고, 그로부터 추출된 작동 유체의 증기 부분을 받아들이고, 화학적 조성을 기반으로 하여 받아들인 작동 유체의 성분을 분리하고 검출된 공정 및 주변 조건을 기반으로 하여 그 분리된 성분을 개질된 작동 유체에 선택 가능하게 혼합하도록 제어 가능하게 작동되는 제어 가능한 분리 유닛(controllable separator unit); 및 제어 가능한 분리 유닛 하류에 결합되고 개질된 작동 유체의 팽창으로부터 기계적 또는 전기적 에너지를 생성하기 위해 작동되는 팽창기(expander)를 포함한다.
일부 실시예에서, 지열 에너지 회수 시스템은 팽창된 작동 유체를 냉각시키기 위해 작동되는 팽창기 하류에 결합된 응축기(condenser) 및 응축기로부터 받아들인 작동 유체의 압력을 주입정(injection well)을 통해 저장소에 재주입하기에 적합한 압력까지 증가시키기 위해 작동되는 응축기 하류에 결합된 압축 장치(compression device)를 더 포함한다. 특정 구현에서, 추가 이산화탄소는 추가 이산화탄소 조건에 따라 응축기 하류 또는 응축기와 팽창기 사이에서 작동 유체에 도입된다.
분리기 유닛은 전자 제어 유닛에 의해 수신된 검출된 대기 및 공정 조건을 기반으로 하여 작동 유체의 성분을 설정하기 위해 분리기 유닛을 작동시키도록 구성되는 프로그래밍 가능한 전자 제어 유닛을 사용하여 작동될 수 있다. 일부 구현에서, 전자 제어 유닛이 사이클에서의 추출된 작동 유체 온도가 이산화탄소의 임계점 온도 아래에 도달할 수 있다고 결정하는 경우, 전자 제어 유닛은 다른 공정 또는 주변 조건에 따라 작동 유체의 조성을 100 % 이산화탄소 : 0 % 에탄 내지 60 % 이산화탄소 : 40 % 에탄 사이에서 설정하기 위해 분리기 유닛을 작동시킨다. 역으로, 전자 제어 유닛이 추출된 작동 유체 온도가 이산화탄소의 임계점 온도을 초과할 것이라고 결정하는 경우, 전자 제어 유닛은 이산화탄소, 에탄 및 적어도 하나의 중질 탄화수소(heavier hydrocarbon)를 포함하도록 작동 유체의 조성을 설정하기 위해 분리기 유닛을 작동시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 전자 제어 유닛은 CO2 격리(sequestration)를 극대화하기 위해 작동될 수 있고, 그에 따라 탄화수소의 회수 및 거부를 극대화하고 CO2의 재활용을 극대화할 수 있다.
또한, 본 개시는 지열 에너지 회수 방법을 제공한다. 방법의 실시예는 주입정을 통해 지열 저장소에 이산화탄소를 주입하는 단계, 추출정으로부터 저장소 내 이산화탄소의 흐름에 동반된 이전에 주입된 이산화탄소 및 탄화수소를 포함하는 작동 유체를 추출하는 단계, 화학적 조성을 기반으로 하여 가열된 작동 유체의 성분을 분리하는 단계, 에너지 회수 효율을 위해 최적화된 화학적 조성을 갖는 출력되는 개질된 작동 유체를 생산하기 위해 추출된 작동 유체의 현재 조건에 따라 분리된 성분을 선택적으로 혼합하는 단계, 및 기계적 또는 전기적 에너지를 생성하기 위해 개질된 작동 유체를 팽창시키는 단계를 포함한다.
특정 실시예에서, 방법은 조성에 따라 분리하는 단계 이전에 상(phase)에 따라 추출된 작동 유체를 증기 스트림(vapor stream) 및 액체 스트림(liquid stream)으로 분리하는 단계를 더 포함하고, 그 후에, 화학적 조성을 기반으로 하여 증기 스트림이 분리된다.
방법의 실시예는 팽창된 개질된 작동 유체를 응축시키는 단계, 압력을 증가시키기 위해 응축된 개질된 작동 유체를 압축시키는 단계, 및 주입정(injection well)을 통해 승압(elevated pressure)에서 이산화탄소를 저장소에 재주입하는 단계를 더 포함한다.
특정 구현에서, 방법은 응축시키는 단계 이전에 추가 이산화탄소를 개질된 작동 유체에 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
추출된 작동 유체 스트림은 ⅰ) 이산화탄소 스트림, ⅱ) 경질 탄화수소 스트림, 및 ⅲ) 중질 탄화수소 스트림으로 분리될 수 있다. 일부 구현에서, 추출된 작동 유체가 이산화탄소의 임계점 온도 아래 온도를 갖는 경우, 개질된 작동 유체 조성은 다른 공정 또는 주변 조건에 따라 100 % 이산화탄소 : 0 % 에탄 내지 60 % 이산화탄소 : 40 % 에탄 사이에서 설정된다.
역으로, 추출된 작동 유체가 임계점 온도 위 온도를 갖는 경우, 개질된 작동 유체 조성은 이산화탄소, 에탄 및 적어도 하나의 중질 탄화수소를 포함하도록 설정된다. 후자 경우의 특정 예에서, 개질된 작동 유체 조성은 50 % 이산화탄소, 30 % 에탄 및 20 % 프로판을 포함하도록 설정된다.
방법의 실시예는 조성을 기반으로 하여 추출된 작동 유체를 분리하는 단계 이전에 추출된 작동 유체를 추가 산소와 함께 산화 유닛에 도입함으로써 추출된 작동 유체를 승온(elevated temperature)까지 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 방법은 화학적 조성을 기반으로 하여 작동 유체의 성분을 분리하는 단계 이전에 추출된 작동 유체를 가열하는 단계를 더 포함한다.
이들 및 다른 양태, 특징, 및 장점은 본 개시의 특정 실시예에 대한 다음 설명 및 첨부 도면 및 청구 범위로부터 인식될 수 있다.
도 1은 본 개시의 시스템 및 방법이 적용될 수 있는 지질학적 저장소의 단면도이다.
도 2는 본 개시에 따른 지열 회수 시스템의 실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
도 3은 에너지 구성 요소를 도시하는 지열 회수 모델의 개략도이다.
도 4는 본 개시에 따른 지열 회수 시스템의 다른 실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
도 5는 본 개시에 따른 지열 회수 시스템의 또 다른 실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
작동 유체의 성분으로서 CO2 및 CO2 탄화수소 혼합물을 사용하는 지열 에너지 회수 방법 및 시스템이 본 명세서에 개시된다. 초임계 CO2 지열 사이클의 효율은 작동 및 주변 조건에 따라, 특히 주변 온도가 CO2 임계점 위로 상승할 때 달라진다. CO2 임계점 위에서는 에너지 압축이 발생할 수 있는 반면에 삼중점 온도 아래에서는 액체 CO2 압축만 발생한다. 개시된 방법은 주변 조건을 기반으로 하여 CO2에 상이한 유형의 탄화수소 및 상이한 양의 탄화수소를 첨가하여 작동 유체의 조성 및 특성을 제어한다. 선택적인 및 제어된 혼합은 작동 유체 압축 에너지를 감소시키면서 최적의 사이클 효율을 허용한다.
보다 구체적으로, 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 저장소로부터 추출된 들어오는 작동 유체의 성분을 분리한 후 작동 유체가 팽창되고 그 에너지가 기계적 또는 전기적 에너지로 변환되기 전에 현재 조건에 따라 분리된 성분을 선택적으로 혼합하는 분리기 유닛의 작동을 제어한다.
도 1은 본 개시의 방법 및 시스템이 적용될 수 있는 지열 회수 시스템의 단면도이다. 단면도는 덮개암(caprock layer)(110) 아래에 위치한 탄화수소 저장소를 포함하는 표면(105) 아래에 위치한 지질 층(geological formation)을 도시한다. 저장소는 주로 액상(liquid phase)이 풍부한 다공성 부분(115) 및 기상(gaseous phase)이 풍부한 다공성 부분(120)을 포함한다. 액상이 풍부한 저장소 부분(115) 및 기상(120)이 풍부한 저장소 부분(120)은 표면 온도에 비해 온도가 상승하고 열이 저장소 물질에 전달될 수 있는 깊이에 위치한다. 지열 회수 시스템(130)은 표면 위에 배치된다. 회수 시스템(130)은 공급원(source)(140)뿐만 아니라 추출정(165)과 유체 연통하는 추출 작동 유체 스트림으로부터 이산화탄소를 받아들인다. 시스템(130)은 이산화탄소 및 다른 기체 또는 액체 성분을 주입정(150) 아래의 저장소로 주입하기 위해 사용될 수 있는 펌프와 같은 요소를 포함한다. 이산화탄소는 저장소에 주입되고 플륨(plume)(155)으로서 소산된다. 주입의 목적은 두 가지이다. 주입은 이산화탄소를 지하로 격리하는 방법이다. 또한, 추가로 설명되는 바와 같이, 이산화탄소 및 다른 기체는 저장소에 포함된 지열 에너지를 흡수하여 작동 유체(158)로서 작용한다.
(도 1 에서) 작동 유체가 주입정(150)을 통해 저장소(120)에 주입된 후, 유체는 (점선으로 표시된) 다양한 경로를 통해, 유체를 표면으로 되돌려 보내는 추출정(160)쪽으로 이동한다. 작동 유체는 바람직하게 초임계 CO2 또는 CO2와 탄화수소의 블렌드이고, 탄화수소의 범위는 C1 내지 C50(즉, 1개 내지 50개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 분자), 바람직하게 C2 내지 C5이다. 도 2에 도시되고 다음에서 논의되는 바와 같이, 작동 유체 스트림(202)은 추출정(160)으로부터 배출된다. 주입된 작동 유체 스트림에 의해 운반되는 성분 중 일부는 저장소의 상이한 영역으로 이동하고, 고유 유체는 작동 유체가 저장소를 통해 이동할 때 추출정(160)으로의 흐름에 동반될 수 있기 때문에, 작동 유체 스트림(202)의 조성은 주입을 통해 저장소로 들어가는 작동 유체의 조성과 상이할 수 있다. 추출정(160) 및/또는 회수 시스템(130)의 하류 구성 요소는 작동 유체 온도 및 압력을 포함하여 추출된 작동 유체의 현재 조건을 검출하기 위한 센서를 포함한다.
이제, 도 2로 돌아가서, 본 개시에 따른 지열 회수 시스템의 실시예에 대한 개략적인 블록도가 도시된다. 좌측 하단에 도시된 바와 같이, 가열된 작동 유체 스트림(202)은 추출정(160)에서 나와 회수 시스템(130)으로 들어간다. 작동 유체(202)는 50 bar 내지 300 bar의 압력 범위 및 0 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에 있을 수 있고, 일반적으로 액체와 증기(vapor) 성분을 모두 함유한다. 회수 시스템(130)으로 들어갈 때, 작동 유체(202)는 상 분리기(210) 구성 요소에 공급된다. 상 분리기(210)는 작동 유체(202)의 액체 및 증기(vapor) 성분을 분리하도록 설계된다. 상 분리기(210)는 기체-액체 혼합물로부터 증기 스트림의 분리를 가능하게 하는 중력 기반 또는 밀도 기반 분리기로서 구현될 수 있다. 상 분리기(210)는 액체 성분을 다른데로 돌리고 스트림(212)을 통해 시스템에서 그들을 제거한다. 특정 실시예에서, 분리된 증기 성분은 스트림(204)으로서 열 교환기(220)로 배출된다. 열 교환기(220)에서, 작동 유체 증기 스트림(204)은 내부 또는 외부 열원을 사용하여 가열된다. 외부 열원은 작동 유체 스트림(204)의 온도보다 높은 온도에서 에너지를 제공할 수 있는 외부 연소 또는 산화 시스템 또는 태양열 가열 장치와 같은 재생 가능한 에너지원을 포함할 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 추가 에너지를 이용할 수 없는 경우, 시스템(130)은 열 교환기(220) 없이 작동될 수 있다.
열 교환기(220)를 포함하는 실시예에서 가열된 후, 가열된 스트림(206)은 열 교환기를 빠져나와 분리 유닛(240)에 공급된다. 분리 유닛(240)은 가열된 스트림(206)을 입력으로 받아들이고 선택된 조성을 갖는 작동 유체(208)를 제1 출구 스트림에서 출력하도록 작동된다. 선택된 조성은 추출정으로부터 시스템에 들어가는 작동 유체의 온도 및 압력을 포함하여 현재 공정, 저장소, 및 주변 조건을 입력 데이터로서 수신하도록 구성되는 (프로그래밍 가능한 프로세서 또는 전문 전자 제어 유닛과 같은) 전자 제어 유닛(245)에 의해 결정된다. 또한, 제어 유닛(245)은 프로그래밍된 명령 및 입력 데이터를 기반으로 하여, 에너지 회수 효율을 극대화하면서 작동 유체의 압축 에너지를 감소시키는 작동 유체 조성을 결정하도록 구성된다. 분리 유닛(240)은 먼저 화학적 조성에 따라 입력 스트림을 여러 개의 출력 스트림으로 분리한다. 제1 출력 스트림(208)과 별개로, 제2 출구 스트림(212)은 작동 유체로부터 분리된 중질 탄화수소(주로 C2 이상)로 구성되고, 일부 실시예에서, 제3 출구 스트림(214)은 작동 유체로부터 분리된 가장 가벼운 탄화수소, 주로 C1 및 C2로 구성된다. 일부 구현에서, 제2 및 제3 출구 스트림은 단일 출구 스트림으로 결합된다. 일부 실시예에서, 스트림(212 및 214)은 추가 전력을 생성하기 위해 더 낮은 압력까지 개별적으로 또는 공동으로 팽창된다. 일부 실시예에서, 분리된 스트림은 이후 현재의 온도 및 압력 조건을 기반으로 하여 에너지 회수를 위해 최적화되는 출력 작동 유체(208)를 생성하기 위해 제1 출구 스트림에서 CO2와 정확하게 블렌딩된다. 다른 실시예에서, 분리 유닛(240)은 유입 스트림(206)에서 남아 있는 성분을 선택적으로 제거하고 스트림(212 및/또는 214)을 통해 공정 밖으로 끌어냄으로써 원하는 조성을 제1 출력 스트림(208)에 직접 제공할 수 있다.
분리 유닛(240)은 원하는 성분을 선택적으로 분리하는 멤브레인 시스템 또는 흡수 또는 흡착 유닛을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 분리 유닛(240)은 출력 스트림(208)의 조성이 투과 스트림으로서 스트림(212 및 214)을 갖는 상이한 스테이지 컷(stage cut)에서 작동함으로써 조정될 수 있게 하는 멤브레인 분리 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 유형의 분리를 수행할 수 있게 하는 멤브레인 물질의 예는 폴리(에테르-b-아미드)(Pebax)이다. 대안적으로, 분리 유닛(240)은 나머지 혼합물로부터 C2, C3를 분리하기 위해 분자 게이트(molecular gate) 유형 물질을 사용하는 압력 스윙 흡착(PSA: pressure swing adsorption) 유형으로서 구현될 수 있다. 이러한 경우, CO2는 고급 탄화수소(C3+) 및 남아 있는 수분 및 다른 불순물 또는 성분과 함께 제거된다. 이후, CO2는 나머지 성분에서 분리되어 이전에 분리된 C2, C3 성분과 혼합된다. 이를 통해 출구 스트림의 조정이 현재 조건에 맞게 최적화될 수 있다.
분리 유닛(240)을 빠져나가는 조성 제어된 출력 스트림(208)은, 스트림의 열 에너지가 시스템에서 추출되는 기계적 또는 전기적 에너지로 변환되는, 터빈과 같은 적어도 하나의 팽창 장치(250)에 공급된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 팽창 장치(250)는 직렬로 결합되거나 병렬로 배열된 복수의 장치로서 구현된다. 작동 유체는 스트림(216)의 더 낮은 압력에서 적어도 하나의 팽창 장치(250)로부터 나온다. 스트림(216)의 낮은 압력은 10 bar 내지 200 bar의 범위, 바람직하게는 30 bar 내지 80 bar의 범위일 수 있다. 저압 스트림(216)은 작동 유체를 주변 온도에 가깝게 또는 저온 싱크 온도에 가깝게 냉각시키는 응축기(260)에 공급된다. 응축기(260)를 빠져나가는 응축된 스트림(218)은 이후 압축 장치(270)에 공급된다. 압축 장치(270)는 하나 이상의 펌프, 압축기, 터보 펌프, 및/또는 터보 압축기로서 구현될 수 있다. 압축 장치(270)에서 배출되는 스트림(222)은 스트림(218)에 비해 더 높은 압력에서 나오고, 이러한 승압(elevated pressure)에서, 주입정(150)을 통해 저장소에 주입(또는 재주입)하기에 적합하다.
탄화수소 또는 CO2의 새로운 공급원을 포함하는 추가 스트림(225)은 스트림(225)의 물리적 상태에 따라 응축기(260)의 상류 또는 하류에 도입될 수 있다(도 2에서는 상류에 도입되는 것으로 도시됨). 분리기 결과물(212, 214)은 (예를 들어, 추가 수소 첨가 분해에 의해) 추가로 처리될 수 있고 또는 결과물은 스트림(222) 하류 압축 장치(270)를 통해 동일한 주입정(150)을 통해 또는 다른 주입정(도시되지 않음)을 통해 저장소로 다시 리사이클될 수 있다.
회수 시스템의 효율은 터빈에 의해 출력된 에너지의 양에 대한 작동 유체를 압축시키기 위해 입력되는 에너지(작업)의 양의 비율이 감소될 때 개선된다. 표 1은 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 단순화된 에너지 회수 시스템으로부터 상이한 온도에서 상이한 작동 유체 조성에 대한 터빈 일(turbine work)에 대한 압축 일(compression work)의 비율을 제공한다. 도시된 바와 같이, 작동 유체는 터빈(302)에서 먼저 팽창된 후 열 교환기(304)에서 응축되고, 다음으로 압축 블록(306)에서 압축된다. 표 1의 각 행은 특정 작동 유체 블렌드에 대한 비율 데이터를 제공한다. 비율 값이 낮을수록 시스템의 효율은 더 높아진다. 터빈(203)으로의 유입 스트림은 모든 실행에 대해 150 ℃ 및 130 bar에 있다.
상이한 작동 유체 조성의 효율
압축 대 팽창 비율 응축 온도 25 ℃ 응축 온도 40 ℃
아임계 압력(65 bar)		 응축 온도 40 ℃
초임계 압력(80 bar)
100% CO2 32% 87% 65%
80% CO2, 20% 에탄 34% 81% 55%
50% CO2, 50% 에탄 37% 69% 49%
50% CO2, 30% 에탄,
20% 프로판		 35% 44% 43%
표 1에 도시된 결과는 CO2 임계점 온도 아래의 응축 온도(< 31 ℃)에서는 CO2 단독 또는 80 % CO2/20% 에탄 블렌드의 효율이 다른 더 많이 혼합된 다른 조성보다 높다는 것을 입증한다. CO2 임계점보다 높은 온도(> 31 ℃)에서는, 아임계 및 초임계 압력 모두에서, 추가 에탄 및 프로판과 같은 중질 탄화수소를 갖는 작동 유체가 가장 효율적이다.
개시된 시스템 및 방법은 최적의 효율을 달성하기 위해 유체 온도를 기반으로 하여 작동 유체의 조성이 조정될 수 있게 한다. 조정은 예를 들어, 주변 온도 변화 또는 저장소 조건의 변화에 응답하여 이루어질 수 있다. 시뮬레이션은 온도 및 압력 범위에 걸쳐 최적의 작동 유체를 결정하기 위해 다양한 주변 조건 및 저장소 압력에 대해 저장소에 결합된 시스템(130)에 대해 수행될 수 있다. 특정 구현에서, 분리기 유닛(240)의 제어 유닛(245)은 시뮬레이션으로 얻은 데이터를 사용하여 다른 파라미터 및 값으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛은 분리 유닛(240) 자체의 구성 요소로서 통합될 수 있음을 유의해야 한다.
CO2 임계점 온도 아래의 응축 온도에서 작동할 때, 분리 유닛(240)은 순수 CO2와 CO2와 에탄의 공비 혼합물 사이에서 변하도록 작동 유체의 조성을 설정한다. 응축 온도가 CO2 임계점 온도를 초과할 때, 분리 유닛(240)은 프로판과 같은 중질 탄화수소가 작동 유체 스트림에 들어갈 수 있게 하여 승온(elevated temperature)에서 작동 유체가 액체 상태로 응축될 수 있게 한다. 액체 상태로 응축될 수 있게 함으로써, 필요한 압축 에너지가 최소화된다.
도 4는 본 개시에 따른 지열 에너지 회수 시스템의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다. 회수 시스템(400)은 고유 열 생성을 사용함으로써 도 2의 배열보다 높은 전력 출력을 제공하도록 구성된다. 도 4에 도시된 지열 회수 시스템(400)은, 시스템(400)에서는 열 교환기 대신에 산화 유닛(420)이 사용되는 것을 제외하고는, 도 2에 도시되고 위에서 논의된 시스템과 유사하게 작동한다. 다음에서 논의되는 것을 제외하고, 시스템(400)은 시스템(200)과 동일하게 배열, 연결, 및 구성될 수 있다.
상 분리기(410)에서 출력된 고압의 작동 유체(404)는 산소 스트림(412)을 또한 받아들이는 산화 유닛(420)으로 들어간다. 일부 실시예에서, 산화 유닛(420)은 산소 스트림(412)에 대한 대체물로서 또는 추가로 수증기 스트림(414)을 받아들일 수 있다. 산소 스트림(412)은 발열 반응에서 작동 유체 스트림(404)의 탄화수소를 CO2 및 수증기로 산화시켜 상당한 열을 생성한다. 따라서, 산화 유닛(420)에서 바져나가는 출력 스트림(406)은 스트림(404)에 대해 상승된 온도에 있다. 산화 유닛(420)은 시스템을 통한 낮은 압력 강하를 보장할 뿐만 아니라 중질 탄화수소 및 CO와 같은 다른 탄소 기반 종을 선택적으로 산화시키기 위해 충분한 표면적(모놀리스, 마이크로리스 등)을 제공하는 기하학적 구조에서 귀금속(Rh, Pt) 기반 촉매를 갖는 촉매 베드(catalytic bed)를 사용하여 구현될 수 있다.
지열 저장소의 특성 및 고유 유체 조성에 따라. 산화 유닛(420)은 전력 출력을 증가시키기 위해 시스템에 추가 열을 제공할 수 있다. 또한, 산화 유닛(420)은 특정 종을 선택적으로 산화시킴으로써 분리 유닛(440)의 작동을 보완하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 산화 유닛(420)은 산소 함량이 고갈될 때까지 작동 유체에 존재하는 특정 양의 탄화수소를 비선택적으로 연소시키는 산소 연소 시스템(oxy-combustion system)으로서 구현될 수 있다. 추가적으로, 산화 유닛(420)에는 탄화수소가 물과 완전히 결합하는 것을 촉진하고 일산화탄소(C))의 생성을 감소시키기 위해 촉매가 제공될 수 있다. 대안적으로, 스트림(412)을 통해 공급되는 산소의 양은 원하는 수준까지 탄화수소의 소비를 제한하기 위해 (예를 들어, 알려진 방식으로 제어 밸브를 통해) 제한될 수 있다.
산소 유닛(420)은 탄화수소를 선택적으로 산화시키는 촉매 시스템으로서 산화 유닛을 구현함으로써 분리 유닛(440)의 기능을 지원하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 중질 탄화수소가 더 풍부하면서 저장소에 있는 메탄(CH4)의 양이 적은 경우, 산화 유닛(420)은 선택적으로 CH4를 산화시킬 수 있다. 이후, (제어기(445)를 통해) 분리 유닛(440)의 작동은 저장소로부터 받아들인 입력 스트림의 중질 성분만 분리하기 위해, 경질 탄화수소의 부재 하에서, 산소 유닛의 작동과 함께 수정될 수 있다. 대안적으로, 저장소로부터의 유입이 상당한 양의 CH4 및 적은 양의 중질 탄화수소(C2 또는 C3보다 무거움)를 가질 때, 산화 유닛(420)은 메탄이 풍부한 가스 및 CO2를 생성하기 위해 더 중분자(heavier molecules)를 선택적으로 산화시키거나 산소 또는 스트림의 존재 하에서 중분자를 결국 재형성하도록 (적합한 촉매 및 작동 온도와 함께) 구성될 수 있다. 이러한 경우, 산화 유닛(420)은 분리 유닛(440)에 경질 탄화수소 및 CO2를 갖는 스트림을 제공한다. 이후, 분리 유닛(440)은 상이한 (더 가벼운) 유입 스트림을 기반으로 하여 상이하게 작동된다.
지열 회수 시스템에 대한 실시예의 나머지 구성 요소는 도 2에 도시된 것과 유사하고, 팽창 장치(450), 응축기(460) 및 압축 장치(470)를 포함한다.
도 5는 본 개시에 따른 지열 회수 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 다른 실시예에서와 같이, 추출된 작동 유체 스트림(502)은 작동 유체의 액체 부분 및 증기 부분이 분리되는 상 분리기(510)에 공급된다. 상 분리기(510)에서 출력된 증기 스트림(504)은 가열된 작동 유체 스트림(506)을 출력하는 열 교환기(520)에 공급된다. 그러나, 시스템의 이 지점에서, 이러한 실시예는 열 교환기(520)로부터의 출력이 분리 유닛(540)이 아닌 팽창 장치(550)에 공급된다는 점에서 도 2 및 도 4에 도시된 것과 상이하다. 즉, 팽창 장치(550)는 분리 장치(540)의 상류에 배치되고, 이는 다른 실시예와 반대이다. 가열된 스트림(506)은 팽창 장치(550)에 들어가서 팽창되어 기계적 또는 전기적 에너지로 변환되는 일(work)을 생성한다. 그 결과로 팽창 및 냉각된 작동 유체는 저압 스트림(508)으로서 팽창 장치(550)를 빠져나간다. 저압 스트림(508)은 분리 유닛(540)에 공급된다. 분리 유닛(540)은 저압 스트림(508)을 입력으로서 받아들이고 선택된 조성을 갖는 작동 유체(516)를 제1 배출 스트림으로 출력하도록 작동된다. 분리 유닛(540)의 작동은 분리 유닛(240 및 440)에 대한 도 2 및 도 4의 실시예에서 기술된 작동과 유사하다. 그러나, 분리 유닛(540)은 예를 들어 증류와 같은 상이한 분리 메커니즘을 사용하여 구현될 수 있다. 분리 유닛(540)에서 출력된 작동 유체(516)는 응축기(560)에 공급된 다음 압축 장치(570)에 공급되어 전술한 바와 같은 사이클을 완료한다.
개시된 시스템 및 방법의 중요한 장점 중 하나는 냉각 매체 온도가 CO2 임계점보다 높을 때(> 31 ℃) 또는 고온 환경에서 작동하도록 구성된다는 것이다. 더 높은 온도는 CO2 임계 온도보다 높은 온도에서 혼합물의 부분 응축을 허용하는 공비 혼합물 또는 다른 유형의 혼합물을 형성하기 위해 추가 탄화수소와 CO2를 제어 가능하게 결합함으로써 수용된다. 이들 조치는 사이클 효율을 최적화하고 압축 에너지를 절약하여 지열 회수 시스템 및 방법의 전체 성능을 향상시킨다.
본 명세서에 개시된 구조적 및 기능적 세부 사항은 시스템 및 방법을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 당업자에게 방법을 구현하는 하나 이상의 방법을 교시하기 위한 대표적인 실시예 및/또는 배열로서 제공된다는 것을 이해해야 한다.
도면에서 유사한 참조 번호는 여러 도면을 통해 유사한 요소를 나타내고, 도면을 참조하여 기술되고 도시된 모든 구성 요소 또는 단계가 모든 실시예 또는 배열에 필요한 것은 아니라는 것을 또한 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다(comprises)" 및 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 명시된 특징, 정수, 단계, 작업, 요소, 또는 구성 요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작업, 요소, 또는 구성 요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것을 또한 이해해야 한다.
오리엔테이션 조건(terms)은 본 명세서에서 단지 관례 및 참조의 목적으로 사용되고 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 그러나, 이들 조건은 뷰어와 관련하여 사용될 수 있음이 인식된다. 따라서, 어떠한 제한도 암시되거나 유추되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것으로 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)", "함유하는(containing)", "포함하는(involving)", 및 이들의 변형의 사용은 이후에 나열되는 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가 항목을 포괄하는 것을 의미한다.
전술한 주제는 단지 예시의 목적으로 제공되며 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 도시되고 설명된 예시적인 실시예 및 어플리케이션을 따르지 않고, 및 다음의 청구 범위에서의 일련의 인용 및 이들 인용과 동등한 구조 및 기능 또는 단계에 의해 정의되는 본 발명의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 기술된 주제에 대해 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 주입정(injection well) 및 추출정(extraction well)을 통해 지열 저장소에 결합되는 지열 에너지 회수 시스템으로서,
    상기 추출정에 결합된 입력 포트를 갖고, 그로부터 이산화탄소 및 탄화수소를 포함하는 추출된 작동 유체를 받아들이고, 상기 추출된 작동 유체의 액체 부분 및 증기(vapor) 부분을 분리하도록 작동되는 상 분리기;
    상기 상 분리기 하류에 결합되어 상기 추출된 작동 유체의 상기 증기 부분을 받아들이고, 받아들인 작동 유체의 성분을 화학적 조성을 기반으로 하여 분리하고 분리된 성분을 검출된 공정 및 주변 조건을 기반으로 하여 개질된 작동 유체에 선택적으로 혼합하도록 제어 가능하게 작동되는 제어 가능한 분리기 유닛; 및
    상기 제어 가능한 분리기 유닛 하류에 결합되고 상기 개질된 작동 유체의 팽창으로부터 기계적 또는 전기적 에너지를 생성하도록 작동되는 팽창기를 포함하는 지열 에너지 회수 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 팽창기 하류에 결합되고 상기 팽창된 작동 유체를 냉각시키도록 작동되는 응축기; 및
    상기 응축기 하류에 결합되고 상기 주입정을 통해 상기 저장소에 재주입하기에 적합한 압력 수준까지 상기 응축기로부터 받아들인 상기 작동 유체의 압력을 증가시키도록 작동되는 압축기 장치를 더 포함하는 지열 에너지 회수 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 팽창기와 상기 응축기 사이에서 상기 작동 유체에 추가 이산화탄소가 도입되는 지열 에너지 회수 시스템.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 응축기와 상기 압축 장치 사이에서 상기 작동 유체에 추가 이산화탄소가 도입되는 지열 에너지 회수 시스템.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 분리기 유닛은 전자 제어 유닛에 의해 수신된 검출된 주변 및 공정 조건을 기반으로 하여 상기 작동 유체의 조성을 설정하기 위해 상기 분리기 유닛을 작동시키도록 구성되는 프로그래밍 가능한 전자 제어 유닛을 사용하여 작동되는 지열 에너지 회수 시스템.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛이 상기 추출된 작동 유체 온도가 이산화탄소의 임계점 온도보다 아래라고 결정하는 경우, 상기 전자 제어 유닛은 다른 공정 또는 주변 조건에 따라 상기 작동 유체의 조성을 100 % 이산화탄소:0 % 에탄 내지 60 % 이산화탄소:40 % 에탄에서 설정하기 위해 상기 분리기 유닛을 작동시키는 지열 에너지 회수 시스템.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛이 상기 추출된 작동 유체 온도가 임계점 온도보다 위라고 결정하는 경우, 상기 전자 제어 유닛은 이산화탄소, 에탄 및 적어도 하나의 중질 탄화수소를 포함하도록 상기 작동 유체의 조성을 설정하기 위해 상기 분리기 유닛을 작동시키는 지열 에너지 회수 시스템.
  8. 지열 에너지 회수 방법으로서,
    주입정을 통해 지열 저장소에 이산화탄소를 포함하는 작동 유체를 주입하는 단계;
    이전에 주입된 이산화탄소 및 상기 저장소 내 상기 이산화탄소 흐름에 동반된 탄화수소를 포함하는 작동 유체를 추출정으로부터 추출하는 단계;
    화학적 조성을 기반으로 하여 상기 작동 유체의 성분을 분리하는 단계;
    에너지 회수 효율을 위해 최적화된 화학적 조성을 갖는 출력되는 개질된 작동 유체를 생성하기 위해 상기 추출된 작동 유체의 현재 조건에 따라 상기 분리된 성분을 선택적으로 혼합하는 단계; 및
    기계적 또는 전기적 에너지를 생성하기 위해 상기 개질된 작동 유체를 팽창시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 조성에 따라 분리하는 단계 이전에 상기 추출된 작동 유체를 상(phase)에 따라 증기(vapor) 스트림 및 액체 스트림으로 분리하는 단계를 더 포함하고, 상기 증기(vapor) 스트림은 그 후 화학적 조성을 기반으로 하여 분리되는 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 팽창된 개질된 작동 유체를 응축시키는 단계;
    압력을 증가시키기 위해 상기 응축된 개질된 작동 유체를 압축시키는 단계; 및
    상기 주입정(injection well)을 통해 승압(elevated pressure)에서 이산화탄소를 상기 저장소에 재주입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 응축시키는 단계 이전에 상기 개질된 작동 유체에 추가 이산화탄소를 도입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제10 항에 있어서, 압축시키는 단계 이전에 상기 개질된 작동 유체에 추가 이산화탄소를 도입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제8 항에 있어서, 상기 추출된 작동 유체 스트림은 ⅰ) 이산화탄소 스트림, ⅱ) 경질 탄화수소 스트림, 및 ⅲ) 중질 탄화수소 스트림으로 분리되는 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 추출된 작동 유체가 이산화탄소의 임계점 온도보다 아래의 온도를 갖는 경우, 상기 개질된 작동 유체 조성은 다른 공정 또는 주변 조건에 따라 100 % 이산화탄소 : 0 % 에탄 내지 60 % 이산화탄소 : 40 % 에탄 사이에서 설정되는 방법.
  15. 제13 항에 있어서, 상기 추출된 작동 유체가 임계점 온도보다 위의 온도를 갖는 경우, 상기 개질된 작동 유체 조성은 이산화탄소, 에탄 및 적어도 하나의 중질 탄화수소를 포함하도록 설정되는 방법.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 개질된 작동 유체 조성은 50 % 이산화탄소, 30 % 에탄 및 20 %의 프로판을 포함하도록 설정되는 방법.
  17. 제8 항에 있어서, 조성을 기반으로 하여 상기 추출된 작동 유체를 분리하는 단계 이전에 상기 추출된 작동 유체에 추가 산소를 도입하여 부분적으로 산화시킴으로써 승온(elevated temperature)까지 상기 추출된 작동 유체를 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제8 항에 있어서, 화학적 조성을 기반으로 하는 상기 작동 유체의 성분을 분리하는 단계 이전에 상기 추출된 작동 유체를 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
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