KR20240004246A - 지열 담수화 및 펌핑 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 지열 담수화 시스템에 관한 것으로, 지열 웰 내로 액체를 순환시키고 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 이 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 및 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 생성하는 공기 압축기를 포함하고, 상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로 내에서 순환을 개시한다.
Description
본 발명은 지열 담수화 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 지열 담수화 및 염수 공급을 조합한 시스템에 관한 것이며, 더 나아가 지열 담수화 및 펌핑 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법에 관한 것이다.
호주는 점점 더 더워지고 건조해지고 있으며, 그 결과 담수가 부족해지고 있다. 또한, 사람들은 환경 의식이 높아지고 있고, 더 깨끗하고 더 환경에 우수한 제품을 찾고 있다.
태양 에너지 및 풍력 에너지는 배출량이 적지만, 현재로서는 저렴한 베이스로드(baseload) 전기를 공급할 수 없다. 반면에, 지열 발전은 무한한 제로에미션(zero-emission)의 베이스로드 에너지를 제공할 수 있으나, 시추 비용이 비싸서 그 이용은 고온의 얕은 장소로 제한되었다.
이전에 호주에서 대규모 지열 발전의 시도는 높은 시추 비용 및 전통적인 석유 및 가스 시추 기술을 사용하는 기술적 및 환경적인 문제에 의해 무산되었다. 그러나, 심부의 열을 이용하고, 이 에너지를 활용하여 발전의 유무에 관계없이 저비용 담수화, 난방, 냉방, 또는 펌핑을 제공할 수 있는 능력은 매우 바람직하다.
제로에미션의 전기 및 물은 태양발전/배터리로 제조되는 '녹색(green)' 수소보다 저 비용으로 녹색 수소를 제조할 수 있다. 녹색 수소는 바람직한 액체 연료이고, 미래의 잠재적 청정 에너지 저장 솔루션이다. 또한, 염수의 담수화에 의해 고품질의 소금, 칼리 및 기타 미네랄과 같은 귀중한 부산물을 생산할 수 있다.
사람들은 전형적으로 지열 발전을 뉴질랜드, 인도네시아 및 필리핀과 같은 지질학적으로 활발하고 2000 m 이하로 시추하면 이용가능한 에너지를 생산하는 데 필요한 고온에 충분히 접근할 수 있는 국가와 연결한다. 그러나, 전세계 어디에서나 담수를 생산하기 위해 지열 에너지에 의존하는 것이 바람직하다.
화산 활동에 의해 가열되지 않고 화강암 등의 암반으로부터의 방사열에 의해 가열되는 보다 오래되고 더 차가운 지질을 가진 호주 및 기타 국가의 대부분에서 시추한 8000m의 웰은 2500 가구의 수요를 충족시킬 수 있는 4MW의 베이스로드 전기를 생성하기에 충분한 수증기를 공급할 수 있는 것으로 추정된다. 이 발전 비용은 제로에미션을 생성하면서도 기존의 화석 연료 발전소와 경쟁하는 것으로 계산된다. 유일한 폐기물인 열은 담수화를 포함한 다양한 파생 산업을 지원하는 데 사용될 수 있다. 발전용 수증기로부터 초기 에너지를 추출한 후에도 여전히 냉각탑에서 대기로 상당량의 폐열이 버려진다.
본 발명은 이러한 단점을 염두에 두고 구상되었다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기술된 것과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 재료도 본 발명의 실시 또는 테스트에 사용될 수 있으나, 본 명세서에는 제한된 수의 예시적인 방법 및 재료가 기재되어 있다.
본 발명의 제 1 양태는 지열 담수화 시스템에 관한 것으로, 지열 웰 내로 액체를 순환시키고 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 이 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 기계적 출력을 생성하는 터빈; 및 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 생성하는 공기 압축기를 포함하고, 상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킨다.
일부의 실시형태에서, 공기 압축기는 제 3 압축 공기 공급분을 제공하여 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하는 해수 펌프를 구동할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 1차 액체 회로 내의 액체는 물일 수 있다.
담수화 플랜트는 다중 효과 증류(multi-effect distillation; MED) 담수화 플랜트 또는 역삼투(RO) 담수화 플랜트일 수 있다.
일부의 실시형태에서, 가열된 액체의 일부는 압력 변화를 받아 터빈을 구동하기 위한 수증기를 생성할 수 있다. 가열된 액체는 분리기 또는 플래시 분리기(flash separator) 내에서 압력 변화를 받을 수 있다. 1차 액체 회로 내의 액체의 일부는 분리기 또는 플래시 분리기로부터 배출될 수 있고, 터빈으로부터 배출된 1차 회로 내의 액체와 혼합되어 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시킬 수 있다.
1차 액체 회로 내의 액체는, 터빈의 하류에 있는 담수화 플랜트에 전달된 후에 지열 보어(geothermal bore)로 되돌아가 재가열된다. 일부의 실시형태에서, 시동 펌프에 의해 일단 개시된 1차 액체 회로의 순환은 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 가열된 액체가 웰 헤드로부터 압출될 때 제 1 온도에서 액체를 지열 웰 내로 흡인하는 열 사이펀 효과에 의해 지속될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공기 저장 탱크가 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분 중 적어도 하나 내에 통합되어 압축 공기를 저장할 수 있다.
공기 진공 펌프가 공기 압축기의 상류에 접속될 수 있고, 이 공기 진공 펌프는 공기 압축기 내로 흡인되는 주위 공기의 흐름에 의해 구동된다. 진공 라인이 진공 펌프에 접속되어 상기 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인할 수 있다.
제 1 압축 공기 공급분은 염수 보어 내에 배치된 공급 펌프를 구동할 수 있다. 공급 펌프는 공기 펌프일 수 있다. 공급 펌프로부터 압출된 압축 공기는 염수 보어로부터 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내의 입구로 염수를 구동할 수 있다. 염수는 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내로 분사될 수 있고, 이것을 통과하는 액체의 흐름에 의해 가열될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 터빈은 증기 엔진 또는 스큐류 팽창기로 교환될 수 있다.
제 2 양태에서, 본 발명은 지열 담수화 및 염수 공급 시스템을 제공하며, 지열 웰 내로 액체를 순환시키고 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 담수화 플랜트를 통과하는 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 기계적 출력을 생성함 -; 및 이 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 생성하는 공기 압축기를 포함하며, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킨다.
일부의 실시형태에서, 담수화 플랜트로부터 염수를 펌핑하는 염수 펌프를 구동하도록 구성된 제 3 압축 공기 공급분이 제공된다.
공기 압축기는 제 4 압축 공기 공급분을 더 제공하여 2차 회로 내의 작동 매체를 순환시키도록 회로 펌프를 구동할 수 있다.
1차 액체 회로 내의 액체는 물일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 2차 회로 내의 작동 매체는 끓는점이 낮은 2원계 유체일 수 있다. 작동 매체는 N-펜탄일 수 있다. 2차 회로 내의 작동 매체는 담수화 플랜트에 전달된 후에 열교환기로 되돌아가 재가열될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 일단 시동된 1차 액체 회로는 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 가열된 액체가 웰 헤드로부터 압출될 때 제 1 온도에서 액체를 지열 웰 내로 흡인하는 열 사이펀 효과에 의해 지속될 수 있다. 시동 펌프 및 회로 펌프는 1차 회로의 액체 및 2차 회로의 작동 매체를 동시에 시동시키도록 구동될 수 있다. 시동 펌프는, 일단 1차 액체 회로가 움직이면, 열 사이펀 효과에 의해 1차 액체 회로 내의 액체 운동을 유지하기 위한 자연스런 펌프 작용이 제공되므로 비활성화될 수 있다.
저장 탱크는 압축 공기를 저장하기 위해 제 1, 제 2, 제 3 또는 제 4 압축 공기 공급분 중 적어도 하나 내에 통합될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공기 진공 펌프는 공기 압축기의 흡기구에 접속될 수 있으므로 공기 진공 펌프는 진공 펌프를 통해 공기 압축기 내로 흡인되는 주위 공기의 흐름에 의해 구동된다. 진공 라인이 진공 펌프에 접속되어 상기 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인할 수 있다.
제 1 압축 공기 공급분은 염수 보어, 대양 또는 염수 댐 내에 배치된 공급 펌프를 구동할 수 있다. 공급 펌프는 공기 펌프일 수 있다. 공급 펌프로부터 압출된 압축 공기는 염수 보어, 대양 또는 염수 댐으로부터 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내의 입구로 염수를 구동할 수 있다. 염수는 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내로 분사되어 이것을 통과하는 2차 회로 내의 작동 매체의 흐름에 의해 가열될 수 있다.
지열 웰로부터 인출된 열은 열 에너지를 담수화 플랜트에 제공하는 데 사용되어 MED 담수화 플랜트의 내부의 진공 상태에서 해수 또는 염수를 끓인다.
본 발명은 (i) 염수 보어, 대양 또는 염수 저장 댐 또는 탱크로부터 해수 또는 염수 공급을 제공하는 담수화 플랜트를 구동하기 위해; 그리고 (ii) 추가의 전기 없이 담수화 플랜트에 필요한 진공 시스템을 구동하기 위해 저엔탈피 지열 시스템을 사용한다.
1차 액체 회로는 열 사이펀 효과에 의해 지속되어 깊은 지열 웰의 표면에 1차 유체의 흐름을 제공한다. 1차 액체는 물일 수 있다.
열 사이펀 효과는 깊은 지열 웰의 표면까지 1차 액체의 흐름을 제공한다. 이 효과는 약 50℃의 온도에서 액체 또는 단수가 지열 웰의 애뉼러스(annulus)를 따라 흘러내려 웰 내의 고온의 지질(geology)에 의해 가열될 때 발생한다. 열 사이펀 효과는 가열된 물을 웰의 표면으로 되밀어내는 역할을 하며, 여기서 표면으로의 열 에너지의 전달은 열 에너지의 흐름을 유지하기 위한 에너지의 투입을 필요로 하지 않는다.
전형적으로, 해수 또는 염수를 MED 또는 역삼투(RO) 담수화 플랜트로 전달하기 위해서는 전기가 필요하며, 이 전기는 염수가 기화되는 담수화 플랜트의 체임버 내부에 진공을 생성하는 데 사용되며, 전기는 또한 담수 및 해수를 MED 플랜트로부터 펌핑하는 데 사용된다.
본 발명은 열 에너지에 의해 구동되는 공기 압축기를 사용하여 추가의 전기의 필요성을 줄인다(경우에 따라 제거한다). 이는 1차 액체의 흐름(유체 흐름으로부터 열 에너지)를 회전력 또는 피스톤 힘 형태의 기계적 출력으로 변환하는 스큐류 팽창기, 터빈 또는 수차 시스템을 사용하여 달성된다. 이 기계적 출력은 공기 압축기를 직접적으로 또는 간접적으로 구동하여 공기 펌프를 구동하거나 또는 대안적으로는 발전용 발전기를 구동하는 데 사용될 수 있다.
공기 압축기는 압축기의 흡인측(흡기구)을 사용하여 MED 플랜트 체임버 내에 진공을 생성하고, 압축기의 압력측(출구)은 하나 이상의 공기 펌프를 구동하는 데 사용되는 압축 공기를 제공한다. 하나 이상의 공기 펌프를 사용하여 염수 보어(해변 또는 내륙), 저장 탱크 또는 댐, 또는 대양으로부터 염수를 MED 플랜트로 공급한다.
압축 공기 공급원에 의해 구동되는 추가의 펌프는 회로를 구동하기 위한 열 에너지를 채취하기 위해 지열 웰을 통해 물을 압박하는 1차 및/또는 2차 유체 회로의 순환을 개시 및/또는 보조하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 실시형태에서, 2차 펌프가 열 사이펀 효과의 시동을 촉진하기 위해 1차 액체 회로 내에 통합될 수 있다. 이 펌프는 공기 펌프 또는 공기 구동식 펌프일 수 있다.
공기 펌프를 사용하면 염수에서 부식될 수 있는 가동 부품이 없다는 장점이 얻어진다. 이는 시스템의 신뢰성 및 수명에서 이점을 제공하고 유지관리비를 줄인다. 또한 공기 압축기를 직접 구동시켜 MED 플랜트에 염수를 출입시키고 진공을 생성하는 것이 이러한 목적을 위해 전기를 사용하거나 생성하는 것보다 에너지 효율이 더 높다.
안전성의 관점에서, 본 발명은 또한 염수 환경에서 위험한 전기의 사용을 줄이는 (경우에 따라 제거하는) 이점을 제공한다.
본 발명은 1차 액체 회로 내의 액체로부터의 에너지(흐르는 유체로부터의 열 에너지)를 회전력 또는 피스톤 힘 형태의 기계적 출력으로 변환하는 스큐류 팽창기, 터빈, ORC 터빈, 엔진, 증기 엔진 또는 수차를 사용한다. 이 기계적 출력은 펌프 또는 압축기를 직간접적으로 구동할 수 있고, 또는 대안적으로 이 기계적 출력을 사용하여 발전용 발전기를 구동할 수 있다.
본 발명은 종래의 전기에 의해 구동되는 펌프와 비교했을 때 물 펌핑의 작동 비용보다 더 낮은 비용을 제공한다.
본 발명의 지열 담수화 시스템은 지열 에너지가 모든 에너지 및 펌핑 요구사항을 제공하는 데 사용되므로 제로에미션을 생성한다. 열 사이퍼닝은 1차 유체 회로가 가동되면 웰 펌핑을 필요로 함이 없이 열 에너지를 제공하여 저비용 재생가능 에너지를 제공한다.
하나의 지열 웰로부터 100 내지 500 마력의 펌핑 에너지가 얻어질 수 있는 것으로 계산되며, 이 에너지 공급원은 시간대와 시기에 따라 크게 변동하는 태양 에너지 및 풍력 에너지와 대조적으로 거의 일정하다.
또한 풍력 발전 및 태양광 발전에 비교하면 지열 에너지는 물리적으로 설치면적이 매우 작으므로 주변의 토지를 손을 대지 않고 남겨 두어 다른 용도로 이용할 수 있게 된다. 또한, 송전선 및 벌목의 필요성이 없고, 배기가스 및 독성 폐기물이 생성되지 않으므로 지열 보어 위 및 그 주위의 토지는 시설 후 복구될 수 있으므로 이 지열 담수화 시스템의 환경 영향은 크게 감소된다. 지열 담수화 및 펌핑은 또한 기상 현상 및 산불의 위험에도 강하다.
본 발명은 웰 또는 펌프 유지보수의 필요성이 최소화하, 송전선의 유지보수 또는 장거리 송전에 의한 전력 손실이 없고, 태양전지판이 먼지를 쓰지 않는다는 추가의 이점을 제공한다. 증기 엔진과 수증기 팽창기를 사용하면 수명이 길고, 신뢰성이 실증된 실적이 있으며, 최대 100년 동안 작동하는 것으로 알려진 사례가 있다.
한번 시추하여 설치한 지열 웰은 수백 년 동안 생산할 수 있으며, 웰 헤드의 수량을 원격 제어하여 펌핑 양을 조정할 수 있다.
위의 이점으로 인해 전형적인 담수화 및 펌핑 비용이 크게 줄어들고 CO2 배출이 크게 줄어든다.
열 사이펀 효과를 사용하는 단일 웰 지열 에너지 시스템에 의해 구동되는 지열 담수화 및 펌핑 시스템은 RO 담수화 플랜트에 의해 통상적으로 생성되는 플라스틱 폐기물을 생성하지 않는다. 또한, 이러한 지열 에너지 시스템은 CO2 배출을 생성하지 않고, 태양전지판 및 풍력 터빈 날개를 정기적으로 폐기할 때 발생하는 독성 폐기물이 생성되지 않고, 추가적인 발전 및 송전을 필요로 하지 않고, 환경에 대한 부정적인 영향이 훨씬 더 적다. 지열 담수화 및 펌핑 시스템은 화석 연료 또는 태양광, 풍력, 또는 배터리 공급 시스템에 의해 생성된 전기로 구동되는 RO 담수화 시스템보다 최대 8 배 더 저렴하게 담수를 생산할 수 있는 것으로 계산된다.
제 3 양태에서 본 발명은 지열 담수화 및 펌핑 시스템을 제공하며, 이는 지열 웰 내로 액체를 순환시키고 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 이 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 제 1 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 제공하는 공기 압축기 - 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킴 -; 및 가열된 액체에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 2 터빈을 포함하고, 제 2 기계적 출력은 담수화 플랜트로부터 공급 출구로 담수를 펌핑하는 담수 펌프를 구동한다.
일부의 실시형태에서, 공기 압축기는 염수를 담수화 플랜트로부터 펌핑하도록 구성된 제 3 압축 공기 공급분을 제공할 수 있다. 1차 액체 회로 내의 액체는 물일 수 있다.
일부의 실시형태에서, 가열된 액체의 일부는 압력 변화를 받아 제 1 터빈 및 제 2 터빈을 구동하기 위한 증기를 생성할 수 있다. 가열된 액체는 분리기 또는 플래시 분리기(flash separator) 내에서 압력 변화를 받을 수 있다.
일부의 실시형태에서, 1차 액체 회로 내의 액체의 일부는 제 1 플래시 분리기로부터 배출될 수 있고, 제 1 터빈으로부터 배출된 1차 회로 내의 액체와 혼합되어 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시킬 수 있다. 일부의 실시형태에서, 1차 액체 회로 내의 액체의 일부는 제 2 플래시 분리기로부터 배출될 수 있고 제 2 터빈으로부터 배출된 1차 회로 내의 액체와 혼합되어 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시킬 수 있다.
1차 액체 회로 내의 액체는 제 1 터빈 및 제 2 터빈의 각각의 하류에 있는 담수화 플랜트에 전달된 후에 지열 보어로 되돌아가 재가열될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 시동 펌프에 의해 일단 시동된 1차 액체 회로의 순환은 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 가열된 액체가 웰 헤드로부터 압출될 때 제 1 온도에서 액체를 지열 웰 내로 흡인하는 열 사이펀 효과에 의해 지속될 수 있다.
공기 저장 탱크는 압축 공기를 저장하기 위해 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나 내에 통합될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공기 진공 펌프는 공기 압축기의 흡기구에 접속될 수 있으므로 공기 진공 펌프는 진공 펌프를 통해 공기 압축기 내로 흡인되는 주위 공기의 흐름에 의해 구동된다. 진공 라인이 진공 펌프에 접속되어 상기 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인할 수 있다.
제 1 압축 공기 공급분은 염수 보어, 또는 대양 또는 댐의 염수 저장 탱크 내에 배치된 공급 펌프를 구동할 수 있다. 공급 펌프는 공기 펌프일 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공급 펌프로부터 압출된 압축 공기는 염수 보어, 또는 대양 또는 댐의 저장 탱크로부터 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내의 입구로 염수를 구동할 수 있다. 염수는 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내로 분사될 수 있고, 이것을 통과하는 액체의 흐름에 의해 가열될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나는 증기 엔진 또는 스큐류 팽창기로 교환될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 담수화 플랜트로부터 염수를 공급하는 해수 펌프를 구동하도록 구성된 제 3 압축 공기 공급분이 추가로 제공된다.
본 발명의 지열 담수화 및 펌핑 시스템은 제로에미션, 설치 비용 및 유지보수 비용의 절감, 사용가능 수명의 연장, 비교적 작은 물리적 설치면적(풍력 및 태양광에 비교했을 때), 독성 폐기물이 없는 것, 및 신뢰할 수 있고 안정된 장기적 에너지 공급 등 지열 담수화 시스템과 관련하여 위에서 설명한 모든 이점을 제공한다.
제 4 양태에서, 본 발명은 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법은 지열 웰 내에 액체를 공급하고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 끌어내어 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 이 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 가열된 액체를 1차 액체 회로로부터 터빈으로 전달하여 기계적 출력을 형성하는 단계; 및 이 기계적 출력을 공기 압축기에 접속하여 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 제 1 압축 공기 공급분은 염수 보어 내에 배치된 공급 펌프를 구동하여 압축 공기를 지표면 아래의 염수 보어 내로 구동하여 염수를 염수 보어로부터 담수화 플랜트로 구동하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킨다.
일부의 실시형태에서, 제 3 압축 공기 공급분은 공기 압축기에 의해 생성될 수 있고, 이 제 3 압축 공기 공급분은 공기 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트로부터 펌핑하도록 구성된다.
일부의 실시형태에서, 터빈의 구동은 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터 직접 실행될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 터빈의 구동은 1차 액체 회로의 가열된 액체가 2차 회로의 작동 매체에 열을 제공하여 터빈을 구동하는 2차 회로로부터 실행될 수 있다.
일부의 실시형태의 1차 회로와 2차 회로 사이의 열전달의 실행은 열교환기를 통해 실행될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공기 압축기를 통해 주위 공기를 흡인하는 것은 공기 진공 펌프를 통해 실행될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 끌어냄으로써 진공 펌프의 진공 라인을 통해 체임버 내에 진공을 형성할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 터빈은 스큐류 팽창기, 증기 엔진, 및 ORC 터빈 중 하나로 치환될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 터빈은 일련의 터빈을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 공기 압축기는 스크류 압축기 또는 피스톤 압축기일 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 또한 담수화 플랜트로부터 염수를 공급하는 해수 펌프를 구동하도록 구성된 제 3 압축 공기 공급분을 제공한다.
염수 보어는 더 나아가 대양 또는 염수 댐으로 치환되어 담수화 플랜트에 공급될 염수 공급원을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 특징, 양태 및 이점은 발명의 실시형태의 다음의 설명과 함께 첨부 도면으로부터 더욱 명확해질 것이며, 도면에서 동일한 번호는 동일한 구성성분을 나타낸다.
본 발명의 실시형태는 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명되며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 터빈이 지열 웰로부터 가열된 액체로부터 직접 구동되는 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 2는 웰로부터의 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는, 도 1의 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 3a는 웰이 지반 내로 연장됨에 따라 웰 보어의 직경이 지속적으로 감소하는 것을 예시하는 지열 웰의 단면도이고;
도 3b는 1차 액체 회로 내에서 지열 웰에 출입하는 액체의 흐름을 제어하기 위한 일련의 밸브 및 시일을 예시하는 지열 웰의 웰 헤드의 단면도이고;
도 4는 2차 회로(또는 ORC(Organic Rankine Cycle))를 사용하는 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 5는 지열 웰로부터의 열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는 도 4의 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 6은 담수화 프로세스 및 펌핑 프로세스를 동시에 구동하기 위한 개별의 기계적 출력을 제공하기 위한 복수의 터빈을 예시하는 지열 담수화 및 펌핑 시스템의 개략도이고;
도 7은 제 1 생산물인 담수 및 제 2 생산물인 해수를 제공하기 위해 온도와 압력이 순차적으로 저하하는 일련의 3 개의 체임버를 예시하는 다중 효과 증류(MED) 담수화 플랜트의 개략도이고;
도 8은 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법의 개략도이다.
도 2는 웰로부터의 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는, 도 1의 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 3a는 웰이 지반 내로 연장됨에 따라 웰 보어의 직경이 지속적으로 감소하는 것을 예시하는 지열 웰의 단면도이고;
도 3b는 1차 액체 회로 내에서 지열 웰에 출입하는 액체의 흐름을 제어하기 위한 일련의 밸브 및 시일을 예시하는 지열 웰의 웰 헤드의 단면도이고;
도 4는 2차 회로(또는 ORC(Organic Rankine Cycle))를 사용하는 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 5는 지열 웰로부터의 열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는 도 4의 지열 담수화 시스템의 개략도이고;
도 6은 담수화 프로세스 및 펌핑 프로세스를 동시에 구동하기 위한 개별의 기계적 출력을 제공하기 위한 복수의 터빈을 예시하는 지열 담수화 및 펌핑 시스템의 개략도이고;
도 7은 제 1 생산물인 담수 및 제 2 생산물인 해수를 제공하기 위해 온도와 압력이 순차적으로 저하하는 일련의 3 개의 체임버를 예시하는 다중 효과 증류(MED) 담수화 플랜트의 개략도이고;
도 8은 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법의 개략도이다.
이하에서 본 발명의 유일한 가능한 실시형태는 아니지만 다양한 실시형태를 보여주는 첨부 도면을 참조하여 실시형태를 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명된 실시형태에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명의 지열 담수화 플랜트는 MED 담수화 플랜트에 관련하여 설명되어 있으나, 본 발명은 역삼투(RO) 담수화 플랜트에도 적용될 수 있다고 생각된다.
본 명세서에서 "터빈"이라는 용어는 로터 또는 임펠러에 유체 흐름을 통과시켜 회전 운동을 부여함으로써 기계적인 일을 생성하는 기계를 설명하기 위해 사용되지만, 이 "터빈"은 증기 엔진, ORC(Organic Rankine Cycle) 터빈 또는 스큐류 팽창기 등의 다른 기계적 장치로 치환될 수 있다는 것이 이해된다. 당업자는 다양한 팽창기가 다양한 출력 범위 및 용도에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 "액체"라는 용어는 1차 액체 회로의 액체를 지칭하기 위해 사용되었다.
2차 회로는 "작동 매체"를 갖는 것으로 설명되며, 여기서 이 매체는 폐쇄 루프 내에서 순환하는 유체이고, 순수하게 열 에너지를 전달하기 위한 작동 매체로서 사용된다. 이 액체 및 작동 매체는,일부의 실시형태에서, 둘 모두 물일 수 있다는 것이 이해된다. 작동 매체는 끓는점이 더 높거나 더 낮을 수 있고 또한 N-펜탄 등의 상이한 열전달 특성을 가질 수 있는 액체 또는 기체일 수 있다.
본 명세서에서 "웰"이라는 용어는 고온의 지질로부터의 열 에너지를 시스템을 구동하기 위해 제공하는 깊은 지열 웰보어(geothermal wellbore)를 지칭하기 위해 사용되었다. 명확히 하기 위해, 본 명세서에서 "보어"라는 용어는 담수화 플랜트에 염수를 제공하는 염수 웰보어를 지칭하기 위해 사용되었다. 기술 용어인 보어 및 웰은 호환적으로 사용될 수 있고, 본 명세서에서는 단지 명확히 하기 위해 지열 웰 및 염수 보어에 관련하여 선택적으로 사용되었다.
도 1을 참조하면, 지열 담수화 시스템(100)의 개략도가 예시되어 있으며, 이 지열 담수화 시스템(100)은 지열 웰(5) 내로 액체(3)를 순환시키고 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리는 1차 액체 회로(1) - 상기 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 기계적 출력(12)을 생성하는 제 1 터빈(10); 및 기계적 출력(12)에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분(13) 및 제 2 압축 공기 공급분(15)을 제공하는 공기 압축기(14)를 포함하고, 제 1 압축 공기 공급분(13)은 공급 펌프(29)를 구동하여 염수(16)를 담수화 플랜트(40)에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분(15)은 시동 펌프(36a)를 구동하여 1차 액체 회로(1)를 시동시킨다.
1차 액체(3), 예를 들면, 물을 가열하기 위해 보텀 홀(bottom-hole) 지질 온도가 약 300℃인 지열 웰(5)이 사용된다. 차가운 물(3)이 웰(5) 내로 끌려들어와 가열될 때, 열 사이펀 효과는 지열에 의해 가열된 물(4)을 지표면까지 밀어 올린다. 웰(5)로부터의 뜨거운 물(4)은 터빈(10)을 구동하는 데 사용되며, 이 터빈은 공기 압축기(14)를 구동한다. 공기 압축기(14)는 제 1 측에서 주위 공기(28)를 흡인하여 담수화 플랜트(40)의 체임버에 진공을 생성한다.
공기 압축기(14)의 제 2 측은 적어도 제 1 공급 라인(13) 및 제 2 공급 라인(15)에 직접적으로 (또는 저장 탱크(37)를 경유하여) 압축 공기를 방출한다. 일부의 실시형태에서, 제 3 공급 라인(31) 및 제 4 공급 라인(32)은 보조 펌프(도 4 및 도 5를 참조하여 더 상세히 설명됨)를 구동하기 위해 공기 압축기(14)로부터 공급받을 수 있다.
제 1 공급 라인(13)의 압축 공기는 해수 또는 염수 보어(18) 내로 공기를 펌핑하는 공급 펌프(29)(도면에서는 공기-웰 펌프로 예시되어 있음)를 구동하여 (20 내지 50m의 깊이에서) 염수 보어로부터 염수를 구동하고, 이 염수는 2 개의 출력으로서 담수 출구(20) 및 해수 출구(21)를 제공하는 담수화 플랜트(40)에 공급된다. 1차 액체 회로(1)는 시스템(100)의 1차 회로(1)를 시동시키는 시동 펌프(36a) 또는 유사한 시동 시스템을 더 포함하지만, 일단 열 사이퍼닝 프로세스가 시작되면 펌핑에 대한 추가 요구사항이 거의 또는 전혀 없다(예를 들면, 시스템 작동을 유지하기 위한 에너지 입력이 0 내지 무시가능한 정도까지임).
도 1에서 1차 액체(3), 예를 들면, 물을 순환시키는 1차 액체 회로(1)는 파선으로 표시되어 있고, 물은 지열 웰(5) 내로 끌려들어와 웰(5) 내의 깊숙한 곳의 뜨거운 지질에 의해 가열된다. 웰(5)의 깊이는 지질 및 필요한 열 에너지에 따라 3000m 내지 10,000m일 수 있다.
도 1 및 도 2에서, 1차 회로(1)는 파선의 라인으로 도시되어 있고, 압축 공기 라인(13, 15)은 점선의 라인으로 도시되어 있다. 터빈(10)과 공기 압축기(14) 사이의 검은색 실선은 이 둘 사이에서 기계적 출력(12), 예를 들면, 회전 운동을 전달하는 샤프트 또는 액슬을 나타낸다.
저장 탱크(37)는 시스템(100)을 시동시키기 위한 압축 공기를 저장하기 위해 압축 공기 공급 라인(13, 15, 31, 32) 중 적어도 하나 내에 포함될 수도 있다.
1차 액체(3)가 지열 웰(5)의 입구 채널(5a) 내로 유입됨에 따라 가열되고(도 1에서 웰(5)을 향하는 화살표로 도시된 열), 가열된 액체(4)는 중심에 배치된 단열된 리턴 케이스(5b)를 통해 상승하여 웰 헤드(7)에서 가열된 액체(4)를 지표면에 이르게 한다.
가열된 액체(4)는 웰(5)의 위치, 웰(5)의 깊이 및 해당 지역의 지질에 따라 150℃ 내지 300℃이다.
일단 1차 액체 회로(1)가 시동되면, 가열된 액체(4)의 상승 작용에 의해 약 50℃-60℃의 더 저온인 액체가 웰(5) 내로 계속 유입되므로 열 사이펀 효과가 전파된다.
지열 웰(5)의 더 상세한 내용은 도 3a 및 도 3b와 관련하여 설명한다.
가열된 액체(4)는 플래시 분리기 또는 분리기(25) 내로 유입되고 이곳에서 압력이 떨어진다. 이러한 압력 강하로 인해 가열된 액체의 일부(4)가 기화되고, 1차 액체(3)가 물인 경우 수증기(6)가 생성된다. 수증기(6)는 터빈(10)으로 전달되고, 이곳에서 수증기(6)의 흐름은 터빈(10) 또는 엔진을 구동하여, 회전되거나 피스톤 작용으로 구동되는 샤프트로서 도 1에 개략적으로 예시된, 기계적 출력(12)을 생성한다. 다음에 샤프트의 운동으로서의 기계적 출력(12)은 공기 압축기(14)로 전달된다. 이와 같이 하여, 웰(5)의 지질로부터 인출된 열 에너지의 적어도 일부는 터빈(10)에 접속된 압축기(14)를 구동하는 데 사용된다.
증기 또는 수증기(6)가 터빈(10)을 나가면 1차 액체의 온도는 저하된다. 터빈(10)의 하류에서 터빈을 나가는 액체/증기인 배기(9)는 1차 액체 회로(1) 내로 되돌아가 분리기(25)로부터의 잔류 가열된 액체(4)와 혼합된다. 1차 액체 회로(1)의 결합된 이들 두 흐름(8, 9)은 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버로 전달되고, 그후 재가열되기 위해 지열 웰(5)로 되돌아간다.
1차 액체 회로(1)는 (적어도 웰(5)의 외측에서) 폐쇄 루프이다. 액체(4)는 담수화 플랜트(40)를 통과할 때 열 에너지가 액체(4)로부터 인출되어 담수화 플랜트(40)의 각각의 체임버 내의 해수 또는 염수(16)를 기화시킴에 따라 냉각된다. 해수 또는 염수(16)는 플랜트(40)의 각각의 체임버 내로 분사되어 그 안에서 단계적으로 담수화될 수 있다. 1차 액체(4)는 담수화 플랜트(40) 내에서 냉각되어 50℃-60℃의 온도로 제 1 체임버(42)를 나간 후 웰(5) 내로 재순환된다.
1차 액체 회로(1) 내의 액체는 150℃-300℃의 온도로 웰 헤드(7)를 나가면 플래시 분리기(25)를 사용하여 터빈(10)을 구동하기 위한 증기(예를 들면, 수증기)를 제공할 수 있다. 일부의 상황에서, 가열된 액체(4)는 가압된 상태(끓지 않음)로 유지될 수 있고, 장치를 구동하여 열 에너지를 운동으로 변환할 수 있다.
플래시 분리기(들)(25)(플래시 탱크라고도 함)의 여러 단계는 수확될 추가의 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부의 배치에서, 일련의 플래시 분리기가 단일 터빈(10)을 구동하는 각 분리기의 생성물과 상호연결되거나, 대안적으로는 각 분리기의 생성물이 개별적으로 유동하여 일련의 터빈/팽창기를 구동할 수 있다.
가열된 액체(4)는 웰 헤드(7)로부터 분리기(25)로 공급되고, 이곳에서 가열된 액체(4)는 전형적으로 액체(4)의 압력을 감소시켜 플래시 증발을 시작하는 스로틀링 밸브를 경유하여 분리기(25) 내로 들어간다. 가열된 액체의 일부(4)는 증기로, 또는 물이 선택된 액체인 경우에는 수증기로 즉각 플래싱(flashing)된다. 그 다음에 증기는 분리기(25)의 상부로부터 배출되어 터빈(10)을 구동한다. 플래싱 후, 1차 액체 회로(1)의 잔류 가열된 액체(4)는 출구 또는 드레인(26)을 통해 분리기(25)를 나간다. 그 다음에 분리기(25)로부터의 이 잔류 가열된 액체(4)는 터빈(10)의 배기(9)와 혼합된 후에 담수화 플랜트(40)로 안내된다. 담수화 플랜트(40)를 나갈 때, 1차 액체 회로(1)의 액체는 50℃-60℃의 감소된 온도로 시동 펌프(36a)를 통해 안내된 후에 웰(5)로 되돌아가서 열 사이펀 효과를 계속한다.
시동 펌프(36a)는 1차 액체 회로(1)를 시동시키는 데에만 사용되고 시동 후에는 불필요하다. 시동 펌프(36a)는 유체 공기 펌프이고, 압축기(14)로부터의 제 2 압축 공기 공급 라인(15)에 의해 구동된다. 시동 펌프(36a)가 제 2 압축 공기 공급 라인(15)에 의해 구동되는 것에 의해 시스템(100)을 작동시키기 위한 추가의 전기의 필요성이 회피된다. 시스템의 이 부분에 대해서는 도 2를 참조하여 더 설명한다.
웰(5)이 흐름 또는 열 에너지를 생산하지 않고 정치되어 있는 경우, 단열된 리턴 채널(5b)의 내부의 액체 온도는 웰(5)의 입구 채널(5a) 내의 단열된 리턴 채널(5b)의 외부의 액체와 동일한 온도이고(출구 및 입구가 폐쇄되어 있음), 웰(5) 내의 액체(4)(예를 들면, 물)의 총량은 지질의 열 구배에 따라 가열된다. 즉 웰 내의 액체 전체 온도는 3000m에서 약 130℃, 4000m에서 190℃, 6000m에서 300℃, 8000m에서 410℃ 그리고 10000m에서 550℃이다.
웰(5) 내에서 열 사이펀 효과를 시작하려면 소량의 물의 이동이 필요하고, 이 흐름을 시작하려면 10KW의 소형 시동 펌프(36a)가 필요하고, 또는 고가식 저장 탱크 내에 저장된 상온의 물을 중력이나 수두압에 의해 웰 헤드(7)의 애뉼러스 내로 전달하므로 추가 에너지의 필요성이 회피된다. 더 차가운 액체(3)가 웰 헤드(7) 내에 추가되는 즉시 새로 추가된 액체의 무게가 웰(5) 내부의 더 뜨거운 액체(4)의 무게보다 더 무겁고, 더 차가운 액체(3)가 웰(5)의 애뉼러스 내로 계속 추가되어 유입됨에 따라 웰 헤드(7)로부터의 흐름이 증가된다. 몇 분 내에 열 사이펀 효과가 흐름 및 열 에너지를 생성함에 따라 시동 펌프(36a)를 턴오프시킬 수 있다.
필요한 기계적 출력(12)에 따라 당업자는 위에서 설명한 터빈(10)을 대체 기계, 예를 들면, 직류 터빈, ORC 터빈, 스큐류 팽창기, 수증기 엔진 등으로 선택적으로 대체할 수 있다.
압축기(14)는 스크류 압축기 또는 피스톤 압축기로부터 선택될 수 있고, 여기서 스크류 압축기는 저압 하에서 대량의 유체에 더 적합하고, 피스톤 압축기는 더 적은 체적에서 더 큰 압력에 더 적합하다. 도 2로 이동하기 전에 전형적인 담수화 플랜트의 내부 구조에 대해 간단히 설명한다.
다중 효과 증류(MED) 플랜트
MED 플랜트는 증류를 사용하여 해수 또는 염수를 탈염시킨다. 다중 효과 증류(MED) 플랜트의 "효과" 또는 "단계"에서 염수가 MED 체임버의 내부에 위치하는 튜브 또는 플레이트 열교환기의 내부의 열 에너지에 의해 가열된 튜브 또는 플레이트 상에 분사된다. 염수의 일부는 증발하고, 이 신선 증기는 MED 플랜트의 다음 체임버로 이송되어 다음 체임버의 튜브 또는 플레이트 상에 분사되는 방식으로 이 프로세스가 MED 플랜트의 3 내지 7 개의 MED 체임버 내에서 3 내지 7 회 반복되어 각각의 체임버 내에 진공을 증가시키거나 대기압을 감소시킴으로써 염수로부터 더 많은 담수를 가열 및 증발시킨다. 따라서 각 단계는 이전 단계로부터의 에너지를 재사용하므로 연속적으로 온도 및 압력이 낮아진다. 도 7에는 MED 담수화 플랜트(40)의 개략도가 예시되어 있다.
MED 플랜트(40)는 벽으로 분리된 일련의 폐쇄된 체임버를 포함하며, 제 1 체임버에는 고온의 유체 또는 수증기 열원이 있고, 제 1 체임버로부터 열이 감소된(응축된) 동일 유체가 나온다. 연속된 각각의 체임버는 이전 체임버보다 온도 및 압력이 더 낮다. 즉 각각의 체임버 내의 벽은 그 양측의 유체 온도의 중간 온도에 유지된다. 이 온도 차이는 체임버 내의 압력 강하와 결합하여 증발 에너지를 체임버의 더 따뜻한 제 1 구역으로부터 체임버의 더 차가운 제 2 구역으로 이동시킨다. 제 2 구역으로부터 열 에너지는 벽을 통한 전도(및/또는 배관)을 통해 더 차가운 후속 체임버로 이동한다. 담수화 플랜트(40)의 각각의 체임버를 통해 효과를 지속시키기 위해 후속 체임버에 추가의 염수가 분사될 수도 있다.
시스템(100)의 1차 액체 회로(1)는 터빈(10)으로부터 토출된 후에 MED 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)를 통해 안내된다. 이러한 방식으로, 1차 액체 회로(1)의 열 에너지는 MED 플랜트(40)에 공급된 후에 지열 보어로 되돌아가 재가열된다. 1차 회로 액체는 80 내지 95℃에서 MED 플랜트(40)의 제 1 체임버로 들어간다. 주위 온도가 60℃ 내지 70℃인 제 1 체임버(42)를 나가면 차가운 염수 또는 해수는 MED 플랜트의 입구 지점에서 80℃ 내지 95℃ 수증기 또는 뜨거운 물을 수용하는 열교환기 상에 분사되어 1차 회로 유체는 약 70℃ 내지 50℃로 낮아진다.
담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)의 온도는 약 70℃이며, 각각의 후속 체임버에서 약 5℃씩 떨어진다. 최종 체임버(44) 내에서의 온도는 도 7에 도시된 3 체임버 MED 시스템에서 약 60℃이고, 또는 6 체임버 MED 시스템에서는 45℃이다. MED 플랜트(40)는 MED 플랜트(40)에 공급되는 염수의 품질 및 MED 플랜트(40)로부터 공급되는 담수(19)의 요구되는 품질에 따라 추가의 체임버를 포함할 수 있다.
1차 액체 회로(1) 내의 액체는 도 1에 공기 펌프로서 예시된 시동 펌프(36a)에 의해 열 사이퍼닝이 발생하여 1차 액체 회로(1)의 액체가 자연 순환될 때까지 지열 웰 헤드(7)의 입구로 펌핑된다. 따라서, 시동 펌프(36a)는 1차 액체 회로(1)를 시동시키기 위해서만 필요하다.
도 6 및 도 7에 예시된 바와 같이, 담수화 플랜트(40)는 2 개의 주 출구, 즉 (i) 담수 출구(20) 및 (ii) 해수 출구(21)를 갖는다. 해수 출구(21)는 이 담수화 플랜트(40)가 해수 또는 염수(16)의 처리를 계속함에 따라 플랜트(40)로부터 멀어지는 방향으로 해수(39)를 안내한다. 담수 출구(20)는 담수(19)를 파이프 라인 또는 수집 지점(45)으로 안내하여 사용 또는 수집한다.
담수 출구(20)는 1차 액체 회로(1)로부터의 물의 손실을 고려하여 1차 액체 회로(1) 내로 되돌아갈 수 있는 보충수(43)를 공급할 수도 있다. 증류수의 이 보충수(43)는 웰 순환 액체의 세정 시스템의 역할도 한다.
담수화 플랜트(40)를 가동하기 위해 플랜트(40)의 각각의 후속 체임버는 담수화 플랜트(40)의 증발 사이클을 계속하기 위해 압력을 강하시켜야 한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 공기 압축기(14)는 제 1 공기 공급 라인(13) 및 제 2 공기 공급 라인(15)에 압축 공기를 제공하고, 담수화 플랜트(40)의 체임버에 필요한 진공을 생성한다.
이제 도 2로 돌아가서, 시스템(100)의 압축 공기 회로를 보다 상세하게 설명한다.
주위 공기(28)는 공기 진공 펌프(22)를 통해 시스템(100) 내로 유입된다. 이 공기 진공 펌프(22)는 진공 라인(24)에서 흡인을 생성하는 유체 흐름이나 벤츄리 시스템에 의해 구동되는 임펠러이다. 터빈(10)에 의해 구동되는 압축기(14)는 주위 공기(28)를 시스템 내로 흡인하여 이 공기를 공급 라인(13, 15) 내로 압축시킨다. 압축기(14)로부터의 흡인은 주위 공기(28)를 흡인하고, 그 때 공기 진공 펌프(22)를 구동한다. 압축기는 적어도 2 개의 공급 라인(13,15)을 제공하지만 도 4 및 도 5를 참조하여 본 명세서에서 설명한 바와 같이 더 많은 공급 라인을 제공할 수 있다.
제 1 압축 공기 라인(13)은 염수 보어(18) 또는 대양 또는 염수 또는 해수 저장 탱크 또는 댐 내에 깊은 곳에 배치된 공급 펌프(29)로 안내된다. 염수 보어(18) 또는 대양 또는 저장 탱크 또는 댐의 바닥으로 공기가 펌핑되면 해수는 지표면까지 펌핑되어 MED 플랜트(40)를 향한다. 공급 펌프 또는 펌프들(29)은 대양, 저수조 또는 보어(18)로부터 MED 플랜트(40)까지 최대 10 km의 거리의 염수 공급 라인(27)를 따라 해수 또는 염수(16)를 펌핑할 수 있다. 공급 라인(27)의 종단에서 해수 또는 염수(16)는 해수 또는 염수 온도와 주위 온도 사이에서 담수화 플랜트(40)의 체임버 내로 분사된다.
CO2 배출, 독성 폐기물 또는 추가의 전기 부하 투입이 없는 상태로 MED 플랜트(40)에 공급되는 100만 리터의 염수마다 약 400,000 리터의 증류수 또는 담수(19)가 담부 배출부(20)로부터 인출될 수 있고, 또한 KL 당 작업 비용은 전형적인 KL 당 RO 담수화 비용보다 약 8 배 더 낮은 것으로 계산된다.
도면에 도시되지 않았으나, 염수 보어(18) 및 공급 펌프(29)는 복수의 염수 보어(18) 및 공기 펌프를 포함할 수 있으며, 모두 하나 이상의 담수화 플랜트(40)에 공급하기 위한 공급 라인(27)에 공급된다.
해수 출구(21)는 축적된 해수를 담수화 시스템(100)의 잔류물 또는 폐기물로서 배출한다. 그러나, 이 폐기 해수는 하류 프로세스에 사용되거나 바람직한 상업적 특성을 목적으로 하여 수확될 수 있다.
폐기 해수를 증발시켜 소금, 팟 애쉬(pot ash), 마그네슘, 리튬 및 기타 미네랄을 현재의 채굴 프로세스에 비해 매우 낮은 가격으로 생산할 수 있다. 이들 생성물은 농가에는 비료용으로 일반에게는 소비용 및 광범위한 기타 용도로 판매할 수 있다. 일부 지역에서는 밀 및 보리와 같은 지역 작물을 사용하여 저렴한 비용으로 PLA를 생산할 수 있다. 이 지열 MED 시스템으로부터의 폐열 중 일부를 사용하면 지역에서 재배된 작물로부터 매우 저렴한 비용으로 PLA를 생산할 수 있다. 이 생성물은 수출이 가능하며, 환경 친화적인 식물 기반의 플라스틱 제조 사업의 기회를 창출할 수 있다.
한편, 공기 압축기(14)의 흡인은 MED 플랜트(40)의 체임버로부터 공기를 흡인하여 진공을 생성하고, 이로 인해 압축기(14)의 압력측 상의 압축된 공기는 압축된 공기를 제 1 공급 라인(13)을 통해 염수 보어(18) 또는 대양까지 전달하여 염수를 보어 헤드(17) 또는 지표면까지 그리고 MED 플랜트(40) 내로 밀어준다.
주위 공기(28)가 압축기(14)에 의해 공기 진공 펌프(22)를 통해 지속적으로 흡인됨에 따라 진공 공기 펌프(22)의 타측 상에 진공이 지속적으로 생성된다. 이 진공은 진공 라인(24)을 통해 플랜트(40)의 체임버로 전달되며, 이 진공 라인(24)은, 담수화 플랜트(40)의 각각의 후속 체임 내의 계속적인 증류를 전파하는 것에 필요한 바와 같이, MED 플랜트(40)의 각각의 체임버로부터 공기를 끌어와 그 내부 압력을 떨어뜨린다.
제 2 압축 공기 라인(15)은 시동 펌프(36a)를 향하고, 제 1 압축 공기 라인(13)은 위에서 설명한 바와 같이 공급 펌프(29)를 향한다.
공기 웰 펌프
공급 펌프(29)는 웰(5)로부터의 지열 에너지에 의해 구동되는 압축기(14)로부터의 제 1 압축 공기 공급분(13)으로부터 완전히 구동되는 공기 웰 펌프이다. 공급 펌프(29)는 추가의 에너지 또는 전기 입력을 필요로 하지 않는다.
공기 웰 펌프는 고효율이고, 가동 부품이 없으므로 유지보수의 요구가 낮다. 공기 웰 펌프는 염수 보어(18) 내부의 깊은 곳에 배치되며, 제 1 공기 공급 라인(13)으로부터 공기를 공급받는다. 공기는 보어(18) 내에 방출되어 보어(18)(이것은 대양 보어 또는 내륙 보어일 수 있음)의 바닥으로부터 염수(16)를 밀어내고, 염수를 원하는 장소, 예를 들면, 탱크, 저수지 또는 담수화 플랜트(40)로 밀어낸다.
이러한 설계에서, 압축 공기 공급분(13)은 호주의 내륙, 특히 밀 벨트 및 건조 지대에서 일반적으로 발견되는 대규모 염지하수 시스템에 염지하수를 공급한다.
터빈(10)으로부터의 기계적 출력(12)은 다양한 기계 장치, 예를 들면, 펌프, 압축기, 추가의 터빈, 또는 발전기를 구동하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 압축기(14)의 흡인측 및 압력측의 둘 모두 담수화 플랜트(40) 및 염수(16) 공급에 필요한 진공을 공급하는 데 사용될 수 있으므로 압축기를 구동하는 것이 더 효율적이다. 기계적 출력(12)을 사용하여 발전기를 구동하여 진공 펌프 및 염수 공급용 전기 수중 펌프를 가동하는 경우, 전기로 변환하는 과정에서 에너지 손실이 있고, 진공 생성 및 염수 이동을 위해 기계적 모터로 다시 변환하는 과정에서 추가의 손실이 있을 수 있다. 이는 결국 전기 부품의 유지보수 및 교체 비용의 증가로 이어진다.
따라서, MED 플랜트(40)는 체임버 내에서 염수(16)를 100℃ 미만으로 끓이기 위해 진공을 필요로 하므로 공급 펌프(29)의 사용은 이상적인 조합을 제공한다.
염수(16)는 MED 플랜트(40)의 모든 단계에서 냉각되므로 MED 플랜트(40)의 각각의 섹션은 더 높은 진공(더 낮은 압력)을 갖는다. 6 체임버 MED 플랜트(40)의 마지막 체임버(44)는 약 45℃의 온도를 가지며, 이는 체임버 온도가 이상적으로 70℃인 제 1 체임버(42)보다 더 큰 염수의 기화를 위한 최대 진공을 필요로 한다.
공기 저장 탱크(37)의 통합은 또한 복수의 다운 홀(down-hole) 공기 펌프 및 복수의 진공 펌프의 사용을 용이하게 한다. 또한, 공기 저장 탱크(37)는, 지열 웰(5)이 단기간 동안 가동 중단 또는 정지되었을 때, 압축 공기 공급 라인(13, 15)을 작동시켜 공기 진공 펌프(22), 시동 펌프(36a) 및 다운 홀 공급 펌프(29) 중 적어도 하나를 구동시킬 수 있도록 에너지 저장 기능을 제공한다.
이 시스템(100)은 발전용 발전기를 가동하기 위한 시스템보다 훨씬 더 얕고 더 저렴한 지열 웰(5)을 필요로 할 것으로 계산된다. 이 시스템(100)에서 1차 회로(1) 내의 액체의 온도는 터빈(10) 및 MED 플랜트(40)를 가동하기 위해 지열 웰(5)로부터 전달될 때 약 150℃에 도달해야 한다.
이 시스템(100)은 내륙에 설치하여 대량의 염수를 활용하거나 해안에 설치하여 해수를 담수화 원천으로서 사용할 수 있다. 유지보수, 설비의 감가상각, 임금 및 관리 비용을 포함하여 이러한 모든 장소에서 담수를 생산하는 비용은 약 AUD$0.30c/KL로 계산된다. 낮은 수질이고, 다량의 CO2 및 플라스틱 폐기물을 생성하는 약 A$2.20/KL의 비용이 드는 RO 담수화에 비해 MED에 의한 지열 담수화는 훨씬 더 저렴하고, 플라스틱 폐기물이나 CO2를 배출하지 않는다. 웰(들)(5)은 수백 년 동안 열 에너지를 생성할 수 있으며, 저렴한 지표면의 설비는 최소한의 유지보수 및 30년마다 정기적인 교체를 필요로 한다.
지열 웰
지열 웰(5) 및 웰 헤드(7)를 도 3a 및 도 3b에 관하여 더 설명하며, 이는 호주 특허 제 AU 2020101487 호에서 발췌되었다. 도 3a 및 도 3b는 하나의 웰(5)만을 예시하지만 펌핑 스테이션(100)의 잠재적인 기계적 출력(12)을 증가시키기 위해 복수의 웰을 직렬 또는 병렬로 사용할 수 있는 것으로 이해된다.
저수지를 통해 액체를 순환시키는 수단을 제공하고, 또한 웰 헤드(7)에 1차 액체를 공급하기 위한 입구 채널(애뉼러스)(5a) 및 단열된 리턴 채널(5b)을 제공하기 위한 단일 웰(5)이 도 3a에 예시되어 있다. 채널(5a, 5b)은 웰(5) 내의 튜브 스트링(tubing string)에 동축으로 배치되어 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 웰(5)은 파이프 입구(112), 파이프 출구(114), 입구 채널(5a)(제 1 채널) 및 이들 내부에 동심으로 배치된 단열된 리턴 채널(5b)(제 2 채널)을 포함한다. 도시되어 있지 않으나, 입구 채널(5a)은 이 입구 채널(5a)이 리턴 채널(5b) 내의 경계를 접하여 중심에 배치되도록 단열된 리턴 채널(5b)과 교환될 수 있다는 것이 고려된다.
입구 채널(5a)은 웰(5)의 따라 하방으로 연장되고 파이프 입구(112)로부터 액체를 받아들이며, 외부 케이싱(120)과 단열된 내부 케이싱(122) 사이에 획정된다. 단열된 리턴 채널(5b)은 외부 케이싱(120) 내에 위치하는 단열된 내부 케이싱(122)에 의해 획정된다. 단열된 리턴 채널(5b)은 가열된 액체(4)를 파이프 출구(114)에 제공한다.
추가의 지지 케이싱을 네스팅(nesting)하여 웰을 직경을 감소시키면서 하방으로 연장시킬 수 있다. 예를 들면, 제 1 지지 케이싱(170)은 웰 헤드(7) 및 지질 표면으로부터 웰 말단을 향해 내측으로 (예를 들면, 지하로) 연장한다. 일부의 실시형태에서, 제 1 지지 케이싱(170)은 축방향으로 약 100 m의 깊이까지 지하로 연장한다. 제 1 지지 케이싱(170)은 30 인치의 직경을 가질 수 있다. 제 2 지지 케이싱(172)은 제 1 지지 케이싱(170) 내에 위치하며 제 1 지지 케이싱(170)에 접할 수 있고, 웰 헤드 및 지질 표면으로부터 제 1 지지 케이싱(170)보다 더 깊은 깊이에 있는 웰 단부를 향해 내측으로 (예를 들면, 지하로) 연장한다. 일부의 실시형태에서, 제 2 지지 케이싱(172)은 약 1500 m의 깊이까지 지하로 축방향으로 연장한다. 제 2 지지 케이싱(172)은 18 5/8 내지 20 인치의 직경을 가질 수 있다. 제 3 지지 케이싱(174)은 제 2 지지 케이싱(172) 내에 위치하며 제 2 지지 케이싱(172)에 접할 수 있고, 웰 헤드 및 지질 표면으로부터 제 2 지지 케이싱(172)보다 더 깊은 깊이에 있는 웰 단부를 향해 내측으로 (예를 들면, 지하로) 연장한다. 일부의 실시형태에서, 제 3 지지 케이싱(174)은 약 3000 m의 깊이까지 지하로 축방향으로 연장한다. 제 3 지지 케이싱(174)은 13 3/8 내지 16 인치의 직경을 가질 수 있다.
외부 케이싱(120)은 제 3 지지 케이싱(174)과 함께 배치되며, 제 3 지지 케이싱(174)을 지나서 연장하며 웰(5)의 바닥을 획정한다. 외부 케이싱(120)은 지질층에 의해 부분적으로 획정될 수 있으므로 액체(4)는 투과성 지질층에서 외부 케이싱(120)의 일부(124)를 통해 투과할 수 있게 된다. 일부의 실시형태에서, 외부 케이싱 ll(120)의 투과성 부분(124)은 7500 m 내지 9000 m의 깊이에 있다. 외부 케이싱(120)의 투과성 부분(124)은 2차 웰(미도시)을 향하여 투과성 암반을 통한 액체 유로(104)를 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 외부 케이싱(120)은 지하수를 포함하지 않지만 액체가 입구 채널(5a)을 통해 하방으로 유입되어 웰(5)의 외부 케이싱(120)과 접촉할 때 보다 더 차가운 액체(3) 내로 이동하는 높은 수준의 열을 갖는 화강암과 같은 압밀화된 암반일 수 있다.
일부의 실시형태에서, 외부 케이싱(120)은 지하 내로 약 8,800m-12,000m 깊이까지 축방향으로 연장하며, 지질층에 의해 획정되지 않고, 즉 외부 케이싱(120)은 웰(5)의 바닥까지 연장한다. 외부 케이싱(120)이 웰(5)의 바닥까지 연장하여 이 바닥을 획정하는 경우, 웰은 주위의 지질에 대해 폐쇄된다. 이 "폐쇄된 웰" 또는 실링된 웰 구성은 1차 액체 회로(1)의 액체와 웰(5)을 둘러싸는 지질 사이의 접촉을 방지한다. 이 "폐쇄된 웰" 구성은 침전물 및 기타 지질학적 불순물이 1차 액체 회로(1)의 액체(4) 내로 유입되는 것을 방지한다. 외부 케이싱 l(120)은 12 내지 14.5 인치의 직경을 가질 수 있다.
단열된 내부 케이싱(122)은 외부 케이싱(120) 내에 배치되고, 단열된 내부 케이싱(122)의 단부에 있는 입구 채널(5a)을 통해 액체(3)의 흐름을 받아들이도록 구성되어 있다. 일부의 실시형태에서, 내부 케이싱(122)의 단부는 가열된 유체가 단열된 리턴 채널(5b) 내로 유입될 때 입구 채널(5a)로부터의 가열된 유체 흐름을 받아들이는 흡기구 스크린(128) 및/또는 흡기구 필터를 포함한다. 흡기구 스크린(128)은 액체(3)가 단열된 내부 케이싱(122) 내로 유입될 때 이 액체(3)에 필터를 제공하도록 구성된다.
하나의 실시형태에서, 제 1 웰(110)의 파이프 입구(112)는 입구 채널(5a)을 통해 파이프의 바닥을 향해 흐르는 50℃의 온도의 5 내지 20 kg/초(예를 들면, 질량 유량)의 흐름을 받아들일 수 있다. 입구 채널(5a)을 통한 주입 속도는 0.02 내지 0.72 m/초일 수 있다. 액체는 지질의 하층을 통과할 때 가열된다. 입구 채널(5a)을 내려가는 액체 흐름이 느릴수록 열 형태로 보다 많은 열 에너지가 지질로부터 1차 액체(3)로 전달된다.
일부의 실시형태에서, 주위 지질로부터의 액체는 외부 케이싱(120)의 투과성 부분(124)을 통해 입구 채널(5a)로 들어간다. 액체는 내부 케이싱(122)의 흡기구 스크린(128)에 들어가서 단열된 리턴 채널(5b) 내로 들어감에 따라 틈새(126) 내로 들어가서 팽창할 수 있다. 호주의 대부분의 지역에서, 액체의 온도는 액체(3)가 틈새(126)를 통해 단열된 리턴 채널(5b)을 향해 이동함에 따라 6,000 m 깊이의 웰 내에서 약 300℃가 될 수 있다. 가열된 액체(4)는 지열 웰(5)의 깊이에 따라 단열된 리턴 채널(5b)로부터 150℃ 내지 280℃의 온도로 5 내지 20 kg/초의 액체 유량으로 파이프 출구(114)로부터 유출될 수 있다. 웰(5)은, 초기의 웰 주입 온도가 50℃인 경우, 웰 헤드(7)로부터 20Kg/초의 유량 및 280℃의 온도로 5MW-30MW, 예를 들면, 19.78 MWth의 열 에너지 출력을 가질 수 있다.
웰 헤드(7)의 확대도가 도 3b에 도시되어 있다. 웰 헤드(7)는 복수의 시일(510), 외부 지지 칼라(512), 및 웰(5)을 적절히 지지하고 출구를 제공하는 기타 특징을 포함한다.
열 사이퍼닝은 시스템이 흐름을 개시하면 웰(5) 내의 액체를 이동시킨다. 일부의 실시형태에서, 50℃ 액체(기계적 출력을 생성한 후의 냉각된 물)은 웰(5)을 따라 끌어내려지고, 이 액체(3)는 웰(5)의 바닥을 향해 이동하는 동안에 가열되고, 다음에 웰 헤드(7)에서 지표면으로 압출된다. 열에 의해 상승된 온도 및 압력에 의해 가열된 액체(4)는 생산 케이싱을 지표면까지 밀어 올린다.
일부의 실시형태에서, 개방형 웰 구성은, 액체가 웰(5) 내에 유입 및/또는 웰(5)로부터 유출하고, 지질을 통해 2차 웰의 하류를 직렬로 흐를 수 있도록 투과성 지질과 일치하는 웰 바닥의 슬롯 부분을 갖는 웰을 포함할 수 있다.
열 사이퍼닝 시스템의 특정의 일 실시형태에서, 이 시스템은 6 개의 웰 시스템일 수 있고, 주입 유량은 웰 1은 50kg/초, 웰 2는 30kg/초, 웰 3은 30kg/초, 웰 4는 30kg/초, 웰 5는 30kg/초, 웰 6은 10kg/초로 총 주입 유량은 180kg/초이다. 이 실시형태에서, 생산 유량은 웰 1은 30kg/초, 웰 2는 30kg/초, 웰 4는 30kg/초, 웰 5는 30kg/s, 웰 6은 30kg/초이다. 이 실시형태의 총 생산량에 의해 약 180kg/초의 유량 및 116 MW의 열 에너지를 얻을 수 있다.
열 사이퍼닝 시스템을 사용하는 웰(5)의 일 구성에서, 300℃ 이상의 보텀 홀 지질 온도에서, 지표면의 6.3" 내경의 단열 생산 케이싱으로부터의 자연 유량(w웰 헤드 출구에 있는 조정가능한 밸브에 의한 제한이 없음)은 30kg/초 또는 2 m/초의 속도가 될 수 있다. 가열된 액체(4)가 웰(5)을 따라 올라가는 과정에서 열 손실을 경험할 수 있으나, 출구 온도는 전형적으로 웰(5)의 바닥에서의 액체 온도보다 5% 더 낮다.
웰(5)은 화강암을 포함하는 거의 모든 지질 내로 수천 m에서 최대 약 12,000 m까지로 구성될 수 있다. 지열은 심부의 지열 해수를 지표면까지 운반하지 않고 폐루프 시스템을 통해 심부에서 교환된다. 이 형태의 웰(5)은 생산 수명이 100 년 이상이고, 유지보수 비용이 상대적으로 낮다. 이 웰(5)은 물리적 설치면적이 작고, 웰(5) 주위의 케이싱 층이 보호기능을 제공하므로 지표면 지하수 시스템 상에 미치는 영향이 최소화된다.
본 발명의 제 2 양태는 도 4 및 도 5에 예시되어 있고, 이것은 지열 담수화 및 염수 공급 시스템(101)을 예시하며, 지열 웰(5) 내로 액체(3)를 순환시키고 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리는 1차 액체 회로(1) - 가열된 액체(4)는 열교환기(30)로 공급되어 담수화 플랜트(40)를 통과하는 2차 회로(2)의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(34)는 터빈(10)을 구동하여 기계적 출력(12)을 생성함 -; 및 기계적 출력(12)에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분(13) 및 제 2 압축 공기 공급분(15)을 제공하는 공기 압축기(14)를 포함하며, 제 1 압축 공기 공급분(13)은 공급 펌프(29)를 구동하고, 제 2 압축 공기 공급분(15)는 시동 펌프(36a)를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킨다.
지열 담수화 시스템(101)의 제 2 실시형태는 전기를 필요로 하지 않고, 또한 1차 액체 회로(1)를 유지하고 염수(16)를 담수화 플랜트(40)에 공급하기 위한 에너지 요구 사항을 위해 열 사이펀 효과를 사용한다.
이러한 전기를 사용하지 않는 담수화 시스템(101)을 사용하여 지열 웰(5)로부터 얻어지는 열 에너지로 1차 액체 회로(1)에 의해 가열되는 ORC 또는 2차 회로(2)의 가열되거나 기화된 매체(34)로부터 압축기(14)를 구동할 수 있다. 이 지열 담수화 및 염수 공급 시스템(101)은 압축기(14)를 사용하여 담수화 플랜트(40) 내에 진공을 생성함과 동시에 제 1 압축 공기 라인(13)에 공급하여 해수 또는 염수(16)를 대양 또는 염수 보어(18)로부터 담수화 플랜트(40)로 밀어주는 공기 웰 펌프 형태의 공급 펌프(29)를 구동한다.
공급 펌프(29)는 본질적으로 압축 공기 공급 라인(13)을 염수 보어(18) 내로 유도하는 파이프이다. 압축 공기는 보어(18)의 바닥에서 방출되고, 그러면 이 공기는 보어(18) 내의 염수를 지표면에 있는 보어 헤드(17)까지 밀어낸다. 공급 펌프(29) 내에는 녹슬거나 쇠퇴할 가동 부품이 없으므로 매우 효율적이고 유지보수가 적은 옵션이 제공된다. 공급 펌프(29)를 구동하는 공기는 염수(16)를 보어 헤드(17)가 있는 지표면까지 구동하고, 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)까지 주위 온도로 전달하기 위한 수 킬로미터의 염수 공급 파이프라인(27)을 따라 염수(16)를 구동하는 데 충분하다.
도 4 및 도 5에서, 1차 액체 회로(1)는 파선으로 도시되어 있고, 2차 회로(2)는 이점쇄선으로 도시되어 있고, 압축 공기 라인(13,15)은 점선으로 도시되어 있다. 터빈(10)과 공기 압축기(14) 사이의 검은색 실선은 이 둘 사이에서 기계적 출력(12), 예를 들면, 회전 운동을 전달하는 샤프트 또는 액슬을 나타낸다.
ORC(Organic Rankin Cycle)는 지질 온도가 직접 수증기 또는 직접 스큐류 팽창기 시스템을 위해 충분히 고온이 아닌 경우에 기계적 출력(12)을 제공하기 위해 본 발명의 제 1 양태(100)에 통합되었다. 그러면 이 기계적 출력(12)은 본 발명의 제 1 양태와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 압축기(14)로 공급된다. 압축기(14)는 필요한 공기 압축기의 용적에 따라 로터리식 또는 피스톤식 압축기로부터 선택된다.
1차 액체 회로(1)는 본 발명의 제 1 양태와 관련하여 본 명세서에서 설명한 것과 동일한 방식으로 작동하지만 터빈(10)은 1차 액체 회로(1)에 의해 구동되지 않는다. 지열 담수화 시스템(100)과는 대조적으로, 이 지열 담수화 및 염수 공급 시스템(101)은 열교환기(30)를 사용하여 1차 액체 회로(1)로부터의 지열을 웰(5)의 1차 액체 회로(1)로부터 분리된 2차 회로(2) 내의 작동 매체(33)로 전달한다. 2차 회로(2)는 폐쇄 회로이다.
공기 압축기(14)의 제 2 측은 적어도 제 1 공급 라인(13) 및 제 2 공급 라인(15)에 직접적으로 (또는 저장 탱크(37)를 경유하여) 압축 공기를 방출한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 해수 펌프(23)를 구동하기 위한 제 3 공급 라인(31) 및 도 4에 예시된 회로 펌프(36b)를 구동하기 위해 공기 압축기(14)로부터 공급되는 제 4 공급 라인(32)이 추가로 제공된다. 해수 펌프(23)는 MED 플랜트(40)로부터 담수화의 폐기물을 해수(39)의 형태로 흡인하도록 구성된다.
2차 회로(2)는 도 4에 예시된 바와 같이 회로 펌프(36b)를 포함한다. 회로 펌프(36b)는 2차 회로(2) 내에서 작동 매체(33)의 순환을 구동한다. 2차 회로(2)(ORC 시스템)는 N-펜탄 등의 끓는점이 낮은 작동 매체를 사용한다. 시동 펌프(36a)와 마찬가지로 회로 펌프(36b)는 압축기(14)로부터 제 4 압축 공기 공급 라인(32)을 경유하여 회로 펌프(36b)로 유도되는 압축 공기에 의해 구동된다.
제 1 공급 라인(13)의 압축 공기는 해수 또는 염수 보어(18) 내로 압축 공기를 펌핑하는 공급 펌프(29)(도 5에서는 공기-웰 펌프로 예시되어 있음)를 구동하여 (20 내지 50m의 깊이에서) 염수 보어로부터 염수를 구동하고, 이 염수는 2 개의 출력으로서 담수 출구(20) 및 해수 출구(21)를 제공하는 담수화 플랜트(40)에 공급된다. 시동 펌프(36a) 또는 유사한 시동 시스템은 시스템(100)의 1차 액체 회로(1)를 시동시키지만 일단 열 사이퍼닝 프로세스가 시작되면 펌핑에 대한 추가 요구사항이 거의 또는 전혀 없다(예를 들면, 시스템 작동을 유지하기 위한 에너지 투입이 0 내지 무시가능한 정도까지임).
회로 펌프(36b)는 작동 매체(33)를 2차 회로(2)의 주위로 계속 흐르게 함으로써 열교환기(30)를 통해 차가운 작동 매체(33)를 지속적으로 흡인한다. 1차 액체 회로(1)에서 가열된 액체로부터의 열 에너지는 열교환기(30) 내의 작동 매체(33)로 전달된 후에 2차 회로(2)의 주위에서 계속되고 가열/기화된 작동 매체(34)를 터빈(10)에 공급하여 기계적 출력(12)을 생성한다.
저장 탱크(37)로부터의 압축 공기는 시스템(100)의 초기화시에 시동 펌프(36a) 및 회로 펌프(36b)로 유도될 수 있다. 이 펌프(36a,36b)는 1차 액체 회로(1)의 액체와 2차 회로(2)의 유체 매체의 순환을 개시하는 동시에 펌프(36a)를 사용하여 주위 지표면 온도에서 액체(3)를 지열 웰 입구 채널(5a)로 압입하고, 담수화 플랜트(40)로부터 주위 온도의 작동 매체(33)를 흡인하여 이것을 열교환기(30)를 향해 펌핑하여 가열시킨다. 펌프(36a,36b)는 바람직하게는 제 2 공기 공급 라인(15) 및 제 4 공기 공급 라인(32)에 의해 구동되는 공기 펌프이다.
일부의 실시형태에서, 시동 펌프(36a) 및 회로 펌프(36b) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 외부 전원으로부터의 전기에 의해 구동될 수 있다. 그러나, 압축기(14)로부터의 압축 공기에 의해 시동 펌프(36a) 및 회로 펌프(36b)를 구동하는 것은 보다 비용 효율적인 해결책을 제공하며, 1차 액체 회로(1) 및 2차 회로(2)의 둘 모두를 시동하기 위한 외부 전원의 필요성을 회피한다. 또한 공기 웰 펌프(23)는 외부 전원 또는 대안적인 전원에 의해 구동되도록 구성될 수도 있다.
저장 탱크(37)(도 4 및 도 5에 미도시)는 시스템을 시동시키기 위한 압축 공기를 저장하기 위해 압축 공기 공급 라인(13, 15, 31, 32) 중 적어도 하나에 또는 각각에 통합될 수 있다. 저장 탱크(37)의 하나의 가능한 구성이 도 1에 도시되어 있다. 일부의 실시형태에서, 단일 저장 탱크(37)를 시스템(100, 101)에 통합하여 공기 공급 라인(13, 15, 31, 32) 중 하나 이상에 선택적으로 공급할 수 있다.
2차 회로(2)는 작동 매체(33)를 열교환기(30)를 통과시켜 가열하고, 이는 작동 매체(33)를 가열된 증기(34)로 전환시킨다. 다음에 가열된 증기(34)는 팽창기 또는 터빈에 공급되어 펌프 또는 압축기(14)를 구동하기 위한 기계적 출력(12)을 생성한다. 열교환기(30)가 추가의 열 에너지를 제공하여 작동 매체(33)를 가열된 증기(34)로 변환시켜 터빈(10)을 구동하므로 1차 액체 회로(1) 내에는 플래시 분리기가 필요하지 않다.
가열된 작동 매체(34)는 약 95℃에서 터빈(10)을 나가며, 이 때 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)로 향한다. 2차 회로(2)의 유체는 체임버(42)를 통해 이동함에 따라 열을 잃고 70℃ 내지 50℃의 온도까지 떨어진다. 2차 회로(2)가 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)를 나감에 따라 온도는 약 70℃ 내지 50℃까지 감소되고, 작동 매체는 회로 펌프(36b)를 향해 유도된다. 펌프(36b)를 나오면 2차 회로(2)의 작동 매체(33)는 열교환기(30)로 되돌아가서 재가열된 후에 전술한 바와 같이 2차 회로(2) 주위에서 순환을 반복한다.
도 5에 예시된 바와 같이, 공기 압축기(14)는 도 1과 도 2 및 지열 담수화 시스템(100)과 관련하여 전술한 바와 같이 작동하는 4 개의 압축 공기 공급 라인(13, 15, 31, 32)에 공급할 수 있다. 본 발명의 대안적인 실시형태에서, 압축기(14)로부터 5 개 이상의 공기 공급 라인을 공급하여 추가의 기계/펌프를 구동할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 3 양태에서 본 발명은 지열 담수화 및 펌핑 시스템(102)을 제공하며, 이는 지열 웰(5) 내로 액체(3)를 순환시키고 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리는 1차 액체 회로(1) - 이 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)를 통과함 -; 가열된 액체(4)에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력(12)을 생성하는 제 1 터빈(10); 제 1 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분(13) 및 제 2 압축 공기 공급분(15)을 제공하는 압축기(14) - 제 1 압축 공기 공급분(13)은 공급 펌프(29)를 구동하여 염수(16)를 담수화 플랜트(40)에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분(15)은 시동 펌프(36a)를 구동하여 1차 액체 회로(1)를 시동시킴 -; 및 가열된 액체(4)에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하는 제 2 터빈(10a)을 포함하고, 제 2 기계적 출력은 담수화 플랜트(40)로부터 공급 지점(45)으로 담수를 펌핑하는 담수 펌프(38)를 구동한다.
전형적으로, 담수화 플랜트(40)는 MED 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)를 통과할 때 가열 또는 1차 액체 회로(1)의 온도를 약 20℃ 제거한다. MED 플랜트(40)의 용량이 클수록 1차 액체 회로(1)로부터 더 많은 열이 요구된다. 반대로, MED 플랜트(40)의 용량이 작을수록 1차 액체 회로(1)로부터 더 적은 열이 요구된다. 따라서, 지열 웰(5)에 의해 가열된 액체(4)에는 담수화 플랜트(40)를 구동하기 위한 충분한 열 에너지가 있으며, 동시에 열 에너지를 끌어내어 기계적 에너지로 변환하여 시스템(102)의 일련의 펌프(23, 29, 36a, 38) 및 압축기(14)를 구동한다.
도 6에 예시된 압축기(14)로부터의 복수의 압축 공기 라인은 시동 펌프(36a), 공급 펌프(29) 및 해수 펌프(23)를 구동하여 플랜트(40)로부터 해수를 제거하도록 구성될 수 있다.
담수화 플랜트(40)의 담수 출구(20)로부터 담수화된 담수(19)를 공급 지점(45)까지 펌핑하는 담수 펌프(38)는 (i) 도 6에 도시된 바와 같은 제 2 터빈(10a)의 제 2 기계적 출력(12a)에 의해 직접 구동될 수 있거나; (ii) 터빈(10)에 의해 생성되어 기계적 출력(12)을 통해 전달되는 전기에 의해 구동될 수 있거나; 또는 (iii) 도 6에 예시되지 않은 터빈(10) 및 기계적 출력(12)에 의해 구동되는 압축기(14)에 의해 생성되는 압축 공기에 의해 구동될 수 있다. 기계적 출력(12)은 구동 샤프트를 통해 전달될 수 있다.
담수(19)의 공급 지점(45)은 댐, 저수지, 펌핑 스테이션, 파이프라인, 플랜트, 선박, 탱크 등일 수 있다.
담수와 및 펌핑 플랜트(102)의 추가의 구성요소에 추가의 전기를 필요로 하지 않고 동력을 제공하기 위해, 가열된 액체(4)(이것은 물일 수 있음)는 제 1 플래시 분리기(25)를 통해 유도될 수 있고, 분리기(25) 내에서 압력이 감소되어 증기의 일부(약 10%)가 순간적으로 플래시 증발(flash evaporating)한다.
다음에 이 수증기(6)는 분리기(25)의 상부로부터 인출되어 제 1 터빈(10)을 구동한다. 터빈(10)은 터빈(10)의 기계적 출력(12)에 의해 구동되는 압축기(14)에 직접 연결된다. 다음에 압축기(14)는 복수의 압축 공기 공급 라인, 즉 본 명세서에 기술된 바와 같은 공급 펌프(29)를 구동하기 위한 제 1 공급 라인(13); 필요한 경우에 1차 액체 회로(1)를 시동시키도록 시동 펌프(36a)를 구동하기 위한 제 2 공급 라인(15); 담수화 플랜트(40)의 외부로 해수 출구(21)로부터 해수(담수화 프로세스의 부산물)를 펌핑하는 해수 펌프(23)를 구동하기 위한 제 3 공급 라인(31); 및 2차 회로(2)에서 순환을 개시하도록 회로 펌프(36b)를 구동하기 위한 제 4 공급 라인(32)에 공급한다.
공급 펌프(29)는 도 6의 개략도에서 담수화 플랜트(40)에 근접해 있는 것으로 예시되어 있으나, 본 명세서에서 설명한 바와 같이 공급 펌프(29)는 물리적으로 염수 보어(18) 내의 깊은 곳에 배치되어 있으며, 담수화 플랜트(40)로부터 10 kms 이상 이격될 수 있다.
터빈(10)에서 나간 (배출된) 후 증기(6) 및/또는 가열된 액체(4) 형태의 여전히 뜨거운 배기(9)는 1차 액체 회로(1) 내로 다시 도입되어 혼합된다.
플래싱 후, 1차 액체 회로(1)의 플래싱되지 않은 액체는 드레인(26)을 통해 분리기(25)를 나간다. 플래싱되지 않은 잔류 가열된 액체(8)는 터빈(10)의 배기와 혼합된 후에 2차 플래시 분리기(25a)로 유도된다. 다시 2차 분리기(25a)에 공급된 배기(9) 및 잔류 가열된 액체(8)는 분리기(25)로 유입될 때 압력이 감소되어 액체의 약 10%가 증기 또는 수증기(6a)로 즉시 증발된다. 증기(6a)는 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하여 담수 펌프(38)를 구동하는 2차 터빈(10a)으로 유도된다.
2차 터빈(10a)의 배기(9a)는 1차 액체 회로(1)로 재도입되어 2차 분리기(25a)로부터의 잔류 가열된 액체(8a)와 혼합된 후에 약 95℃의 온도에서 담수화 플랜트(40)에 공급된다. 구체적으로, 각각의 분리기(25, 25a) 및 각각의 터빈(10, 10a)을 통과한 후의 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)로 공급되어 그곳에 도입된 염수(16)를 증발시킨다.
담수 펌프(38)는 압축기로 대체될 수 있으나, 대량의 담수(19)의 경우에는 기계식 펌프가 바람직하다. 담수 펌프(38)는 담수화 플랜트(40)의 담수 출구(20)로부터 담수를 끌어와 이 담수를 미리 정해진 공급 지점(45)으로 펌핑한다.
필요한 기계적 출력에 따라 당업자는 위에서 설명한 터빈(10, 10a)을 대체 기계, 예를 들면, 직류 터빈, ORC 터빈, 스큐류 팽창기, 수증기 엔진 등으로 선택적으로 대체할 수 있다.
또한, 압축기(14)는 스크류 압축기 또는 피스톤 압축기로부터 선택될 수 있고, 스크류 압축기는 저압 하에서 대량의 유체에 더 적합하고, 피스톤 압축기는 더 적은 체적에서 더 큰 압력에 더 적합하다.
지열 담수화 및 펌핑 시스템(102)은, 충분한 온도로 플랜트(40)에 도입되기 전에, 두 터빈(10, 10a)에 공급하는데 필요한 추가의 열 에너지를 제공하기 위해 해당 지역의 지질에 따라 더 깊은 지열 웰(5)을 필요로 할 수 있다.
주위 공기(28)는 공기 진공 펌프(22)(도 6에 예시되지 않음)를 통해 담수화 플랜트(40)의 체임버로 진공 라인(24)을 제공하기 위해 시스템(100, 101)과 관련하여 전술한 바와 같이 구성된 압축기(14) 내로 유입된다.
제 4 양태에서 본 발명은 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트(40)에 염수를 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법은 지열 웰 내에 1차 액체(3)를 공급하고, 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 끌어내어 1차 액체 회로(1)를 형성하는 단계 - 이 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)를 통과함(단계 400); 가열된 액체(4)를 1차 액체 회로(1)로부터 터빈(10)으로 전달하여 기계적 출력(12)을 생성하는 단계(단계 401); 및 이 기계적 출력(12)을 공기 압축기(14)에 접속하여 제 1 압축 공기 공급분(13) 및 제 2 압축 공기 공급분(15)을 생성하는 단계(단계 402)를 포함하며, 여기서 제 1 압축 공기 공급분(13)은 염수 보어(18) 내에 배치된 공급 펌프(29)를 구동하여 압축 공기를 지표면 아래의 염수 보어(18) 내로 구동하여 염수(16)를 염수 보어(18)로부터 담수화 플랜트(40)로 구동하고(단계 403), 제 2 압축 공기 공급분(15)은 시동 펌프(36a)를 구동하여 1차 액체 회로(1)를 시동시킨다(단계 404).
지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법을 도 8과 관련하여 더 설명하다.
일부의 실시형태에서, 가열된 액체를 터빈(10)에 공급하는 단계 401은 1차 액체 회로(1)로부터 직접 구동된다. 대안적으로, 1차 또는 단일 액체 회로(1)는 열 에너지를 열교환기(30)를 경유하여 2차 회로(2)로 전달하도록 구성될 수 있고, 여기서 터빈(10)은 2차 회로(2)에 의해 구동된다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 1차 액체 회로(1)의 주위에 1차 액체(3)를 펌핑하여 1차 액체 회로(1)를 시동시키는 단계를 더 포함한다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 담수화 플랜트(40)로부터 차가운 작동 매체(33)를 끌어내기 위해 2차 회로(2)의 주위로 작동 매체(33)를 펌핑한 후에 열교환기(30)로 다시 전달하여 가열하는 단계를 더 포함한다.
일부의 실시형태에서, 2차 터빈(10a)은 1차 액체 회로(1) 또는 2차 회로(2) 중 어느 하나의 가열된 액체(4, 34)에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하도록 구성된다. 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 적어도 하나를 사용하여 압축기(14)를 구동할 수 있다. 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 적어도 하나를 사용하여 담수 펌프(38)를 구동할 수 있다.
담수 펌프(38)는 담수 출구(20)의 용적에 따라 2차 압축기(유체 펌핑용으로 구성됨)로 교환될 수 있는 것으로 더욱 고려된다.
당업자는 이하의 청구범위로부터 벗어나지 않으면서 전술한 실시형태에 대해 수 많은 변형 및 수정을 실시할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 실시형태는 모든 면에서 보호 범위를 예시하는 것으로 고려되어야 하고, 제한적인 것으로 고려되어서는 안된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기술된 것과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 재료도 본 발명의 실시 또는 테스트에 사용될 수 있으나, 본 명세서에는 제한된 수의 예시적인 방법 및 재료가 기재되어 있다.
본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용되는 경우, 문맥상 명확하게 다른 것을 지시하지 않는 한 단수형 단어는 복수형을 포함한다. 따라서, "a", "an" 및 "the"의 표현은 일반적으로 각각의 용어의 복수형을 포함한다. 예를 들면, "특징"은 이러한 특징의 "복수의 특징"을 포함한다. "X 및/또는 Y"의 문맥에서 사용되는 "및/또는"이라는 용어는 "X," 또는 "Y," 또는 "X 및 Y"로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 선행기술의 출판물이 참조되는 경우, 그러한 참조가 호주 또는 기타 국가에서 해당 기술분야에서 통상의 일반적 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하는 것으로 간주되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
이하의 청구범위 및 본 발명의 전술한 설명에서, 문맥상 명시적인 언어 또는 필요한 함의로 인해 달리 요구되는 경우를 제외하고, "포함하다" 또는 "포함하는" 등의 변형어는 포괄적인 의미로, 즉 명시된 특징의 존재를 명시하는 데 사용되며 본 발명의 다양한 실시형태에서 추가의 특징의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다.
100
지열 담수화 시스템
101 지열 담수화 및 염수 공급 시스템
1 1차 액체 회로
2 2차 액체 회로
3 1차 액체 - 물
4 가열된 물
5 지열 웰
6 증기
7 웰 헤드
8 잔류 가열된 액체
9 터빈 배기 유체
10 제 1 터빈
12 기계적 출력
13 압축 공기 라인 1
14 공기 압축기
15 압축 공기 라인 2
16 염수
17 염수 보어 헤드
18 염수 보어
19 담수
20 담수 출구
21 해수 출구
22 공기 진공 펌프
23 공기 해수 펌프
24 진공 라인
25 플래시 분리기
26 드레인
27 염수 공급 라인
28 주위 공기 흡기구
29 공기 웰 펌프
30 열교환기
404 시동 단계
102 지열 담수화 및 펌핑 시스템
31 압축 공기 라인 3
32 압축 공기 라인 4
33 작동 매체
34 가열된 작동 매체
36a ORC 회로 펌프
36b 1차 회로 시동 펌프
37 공기 저장 탱크
38 담수 펌프
39 해수
40 담수화 플랜트
42 제 1 체임버
43 보충수 공급
44 최종 체임버
45 공급 지점
46 압축 공기 라인 5
48 해수 펌프
112 웰 입구
114 웰 출구
120 외부 케이싱
122 내부 케이싱
170 제 1 케이싱
172 제 2 케이싱
174 제 3 케이싱
510 시일
512 외부 지지 칼라
400 액체 가열 단계
401 터빈 구동 단계
402 압축기 구동 단계
403 염수 펌핑 단계
101 지열 담수화 및 염수 공급 시스템
1 1차 액체 회로
2 2차 액체 회로
3 1차 액체 - 물
4 가열된 물
5 지열 웰
6 증기
7 웰 헤드
8 잔류 가열된 액체
9 터빈 배기 유체
10 제 1 터빈
12 기계적 출력
13 압축 공기 라인 1
14 공기 압축기
15 압축 공기 라인 2
16 염수
17 염수 보어 헤드
18 염수 보어
19 담수
20 담수 출구
21 해수 출구
22 공기 진공 펌프
23 공기 해수 펌프
24 진공 라인
25 플래시 분리기
26 드레인
27 염수 공급 라인
28 주위 공기 흡기구
29 공기 웰 펌프
30 열교환기
404 시동 단계
102 지열 담수화 및 펌핑 시스템
31 압축 공기 라인 3
32 압축 공기 라인 4
33 작동 매체
34 가열된 작동 매체
36a ORC 회로 펌프
36b 1차 회로 시동 펌프
37 공기 저장 탱크
38 담수 펌프
39 해수
40 담수화 플랜트
42 제 1 체임버
43 보충수 공급
44 최종 체임버
45 공급 지점
46 압축 공기 라인 5
48 해수 펌프
112 웰 입구
114 웰 출구
120 외부 케이싱
122 내부 케이싱
170 제 1 케이싱
172 제 2 케이싱
174 제 3 케이싱
510 시일
512 외부 지지 칼라
400 액체 가열 단계
401 터빈 구동 단계
402 압축기 구동 단계
403 염수 펌핑 단계
Claims (36)
- 지열 담수화 시스템으로서,
1차 액체를 지열 웰(geothermal well) 내로 순환시키고, 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 상기 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -;
상기 가열된 액체에 의해 구동되어 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 및
상기 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 제공하는 공기 압축기를 포함하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로 내에서의 순환을 개시하는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 가열된 액체의 일부는 압력 변화를 받아 상기 제 1 터빈을 구동하기 위한 수증기를 생성하는, 지열 담수화 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 가열된 액체는 분리기 내에서 압력 변화를 받는, 지열 담수화 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체의 일부는 상기 분리기로부터 배출되고, 또한 상기 제 1 터빈으로부터 배출되는 상기 1차 회로 내의 액체와 혼합되어 상기 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시키는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체는 상기 제 1 터빈의 하류에 있는 담수화 플랜트에 전달된 후에 지열 보어(geothermal 보어)로 되돌아가 재가열되는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시동 펌프에 의해 일단 개시된 상기 1차 액체 회로의 순환은 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 가열된 액체가 상기 웰 헤드로부터 압출될 때 제 1 온도에서 액체를 지열 웰 내로 흡인하는 열 사이펀 효과에 의해 지속되는, 지열 담수화 시스템. - 지열 담수화 시스템으로서,
1차 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 상기 가열된 액체는 담수화 플랜트를 통과하는 2차 회로의 작동 매체를 가열하기 위해 열교환기로 공급되고, 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 기계적 출력을 생성함 -; 및
상기 기계적 출력에 의해 구동되어 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 제공하는 공기 압축기를 포함하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 상기 담수화 플랜트에 염수를 공급하고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로 및 상기 2차 회로 중 적어도 하나 내에서의 순환을 개시하는, 지열 담수화 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 2차 회로 내의 작동 매체는 끓는점이 낮은 2원계 유체인, 지열 담수화 시스템. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 2차 회로의 작동 매체는 물; 증류수; 및 N-펜탄으로부터 선택되는, 지열 담수화 시스템. - 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 회로의 작동 매체는 상기 담수화 플랜트에 전달된 후에 상기 열교환기로 되돌아가 재가열되는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 가열된 액체 또는 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 2 터빈을 더 포함하고, 상기 제 2 기계적 출력은 상기 담수화 플랜트로부터 공급 출구로 담수를 펌핑하도록 구성된 담수 펌프를 구동하는, 지열 담수화 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 가열된 액체의 일부는 압력 변화를 받아 상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 구동하기 위한 수증기를 생성할 수 있는, 지열 담수화 시스템. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체는 상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈의 각각의 하류에 있는 상기 담수화 플랜트에 전달된 후에 지열 웰로 되돌아가 재가열되는, 지열 담수화 시스템. - 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나는 증기 엔진 또는 스큐류 팽창기로 치환되는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 염수 보어(보어); 염수역(salt water body); 염수 저장 탱크; 및 염수 댐 중 어느 하나에 배치된 공급 펌프를 구동하여 상기 담수화 플랜트에 염수를 공급하는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 염수는 상기 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내로 도입되고, 상기 제 1 체임버는 상기 1차 액체 회로로부터의 가열된 액체의 흐름 또는 상기 2차 회로로부터의 가열된 유체 매체의 흐름에 의해 가열되는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 압축기는 상기 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하기 위한 해수 펌프를 구동하도록 구성된 제 3 압축 공기 공급분을 제공하는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 압축기는 상기 2차 회로의 주위에 상기 유체 매체를 펌핑하는 회로 펌프를 구동하도록 구성된 제 4 압축 공기 공급분을 제공하는, 지열 담수화 시스템. - 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
공기 저장 탱크가 압축 공기를 저장하기 위해 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분, 제 3 압축 공기 공급분 및 제 4 압축 공기 공급분 중 적어도 하나 내에 통합되는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
공기 진공 펌프가 상기 공기 압축기의 상류에 접속되고, 상기 공기 진공 펌프는 상기 공기 압축기 내로 흡인되는 주위 공기의 흐름에 의해 구동되는, 지열 담수화 시스템. - 제 20 항에 있어서,
진공 라인이 진공 펌프에 접속되어 상기 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인하는, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 펌프는 공기 펌프인, 지열 담수화 시스템. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체는 물 또는 증류수인, 지열 담수화 시스템. - 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기를 사용하여 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법으로서,
지열 웰 내에 1차 액체를 공급하고, 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 상기 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -;
상기 1차 액체 회로로부터 상기 가열된 액체를 제 1 터빈으로 전달하여 기계적 출력을 생성하는 단계; 및
상기 기계적 출력을 공기 압축기에 접속하여 제 1 압축 공기 공급분 및 제 2 압축 공기 공급분을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 상기 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 공급 펌프를 구동하도록 구성되고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 상기 1차 액체 회로를 시동시키는 시동 펌프를 구동하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 압축기로부터의 제 3 압축 공기 공급분에 의해 구동되는 해수 펌프를 사용하여 상기 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터의 열을 제 2 터빈으로 전달하여 제 2 기계적 출력을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 기계적 출력은 상기 담수화 플랜트로부터의 담수를 공급 출구로 펌핑하도록 구성된 담수 펌프를 구동하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터 직접 상기 제 1 터빈을 구동하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터의 열이 2차 회로의 작동 매체에 열을 제공하여 상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 구동하는 2차 회로로부터 상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 구동하는 단계를 더 포함하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 28 항에 있어서,
열교환기를 통해 상기 1차 액체 회로와 2차 회로 사이에서 열전달을 실행하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 1차 액체는 물 또는 증류수인, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
진공 펌프를 통해 상기 공기 압축기를 통해 주위 공기를 흡인하여 상기 진공 펌프를 구동하는 단계를 더 포함하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 31 항에 있어서,
상기 진공 펌프를 사용하여 상기 담수화 플랜트의 체임버로부터 공기를 흡인하여 그 안에 진공을 생성하는 단계를 더 포함하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나는 스큐류 팽창기; 증기 엔진; 및 ORC 터빈 중 어느 하나로 치환되는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 터빈은 일련의 터빈을 포함하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 압축기는 스크류 압축기 및 피스톤 압축기 중 어느 하나로 치환되는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법. - 제 24 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기로부터의 제 4 압축 공기 공급분에 의해 구동되는 회로 펌프를 사용하여 2차 회로 주위로 작동 매체를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 담수화 플랜트에 염수를 공급하는 방법.
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