KR20240005675A - 지열 수소 제조 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 지열 수소 제조 시스템에 관한 것으로, 이 지열 수소 제조 시스템은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 이 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 상기 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 및 가열된 액체에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 2 터빈을 포함하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하도록 공기 압축기를 구동하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다.
Description
본 발명은 지열 수소 제조 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 지열 웰로부터 직접적으로 구동되거나 2원 가열 회로를 사용하여 지열 웰로부터 간접적으로 구동될 수 있다. 본 발명은 또한 지열 수소 제조 및 압축의 복합 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 지열 암모니아 제조 시스템에 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.
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 담수 및 재생가능 전기를 생산하기 위해 지열 에너지에 의존하는 것이 바람직하다.
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 저비용 담수화, 난방, 냉방 또는 펌핑, 발전 및 녹색 수소(green hydrogen) 제조를 제공할 수 있는 능력은 매우 바람직하다.
제로에미션의 전기 및 물은 태양발전/배터리로 제조되는 '그린(green)' 수소보다 저 비용으로 그린 수소를 제조할 수 있다. 염수의 담수화 프로세스에 의해 고품질의 소금, 칼리 및 기타 미네랄과 같은 귀중한 부산물을 생산할 수 있고, 녹색 수소는 바람직한 액체 연료 및 미래의 잠재적 청정 에너지 저장 솔루션을 제공할 수 있다.
전형적인 물 공급 방식은 화석 연료를 사용하여 생산 및 공급되어 전기를 생성하므로 큰 카본 풋프린트를 발생시킨다. 그러나, 카본 풋프린트를 포함하는 물로 생성된 수소 생성물을 "친환경" 수소라고 할 수 없다.
생성 및 저장된 녹색 수소는 연료 전지 수소 전기차 및 선박, 기차, 비행기와 같은 기타 대형 차량을 구동하는 데 사용될 수 있다. 수소는 또한 터빈 및 공장에 에너지를 공급할 수 있고, 가정에서 천연 가스 대신 요리 및 난방을 위해 직접 사용될 수도 있다. 탈수소화를 추진하는 현재 녹색 수소는 현재 우리 사회가 의존하고 있는 화석 연료를 대체할 수 있는 저탄소 연료의 대안을 제공할 수 있다.
암모니아(NH3)는 인구를 먹여 살리기 위한 비료 생산에 사용되는 식량 생산을 위한 중요한 생성물이다. 현재의 암모니아 생산 방법은 화석 연료에 의해 구동되는 시스템을 사용하여 공기로부터 질소를 분리하고 이 질소 가스를 전형적으로는 가스 또는 석탄으로부터 추출한 수소와 결합하는 것이다. 이 프로세스는 기능적이지만 더러우며 전세계의 이산화탄소 배출량을 증가시킨다.
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 발명은 대체로 담수 및 전기를 생산하고, 제로에미션 전기 및 담수를 전해조에 공급하여 담수를 그 구성 성분인 산소와 수소로 분리하는 시스템 또는 플랜트에 관한 것이다. 담수 제조 및 전해조에 공급하기 위한 전기 생성은 모두 직간접적으로 지열 에너지를 이용한다. 지열 에너지는 하나 또는 복수의 지열 웰로부터 인출되며, 그 출력은 웰 헤드(들)에 투입되는 유체에 기초하여 고도로 제어할 수 있다. 또한, 시스템의 단계들 사이에 유체 연통을 이송 및 구동에 필요한 펌프도 지열 에너지에 의해 구동되므로 재생불가능한 소스로부터의 추가의 전기 입력을 피할 수 있다.
본 발명은 알려진 방법에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 배출물 없이 생산되는 녹색 수소의 제조를 용이하게 한다. 본 발명은 지열에 의해 생산되는 전기 및 수소 전해조에 공급되는 산소와 수소로 분해되는 제로에미션의 증류수를 사용한다. 위의 시스템에 의해 생산되는 전기 및 물은 모두 배출물을 생성하지 않으므로 결과물인 수소는 진정한 의미의 "친환경"이다.
본 발명의 지열 수소 제조 시스템은 배터리 또는 전기 송전을 사용하지 않고도 24 시간 내내 수소를 제조할 수 있다. 이로 인해 최대의 수소 생산을 위한 일정한 재생가능한 열 에너지, 전기 및 물 공급을 제공하는 기본 부하 요건이 충족된다.
본 명세서에서 설명하는 시스템은 각각의 지열 웰로부터 시간 당 40-100 Kg의 수소를 생산할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서, 이 시스템은 1 헥타르의 토지에서 연간 최대 10,000 톤의 녹색 수소의 생산을 수용할 수 있다는 가정 하에 호주 및 수출 시장에 필요한 생산량에 맞게 확장될 수 있다. 이는 훨씬 더 많은 토지가 필요한 태양열과 같은 대체 에너지원, 예를 들면, 1 헥타르의 태양 에너지 패널에서 연간 87톤의 수소만을 생산할 수 있는 경우와는 대조적이다.
본 명세서에 설명된 시스템의 추가적인 이점은 이러한 시스템을 설치하고 유지하는데 요구되는 자본 지출이 태양열 또는 배터리로 구동되는 수소 제조 플랜트보다 훨씬 더 적다는 것이다.
본 명세서에 설명되 시스템은 화석 연료, 태양열 또는 풍력에 의한 발전, 전기의 송전, 송전선로의 건설을 위한 벌목, 및 배출가스나 유독성 폐기물이 필요하지 않다.
시스템의 출력은 쉽게 변경할 수 있고, 웰 헤드에서 유체의 흐름을 원격으로 변경함으로써 달성되는 펌핑 체적의 0% - 100% 사이의 웰 출력에 기초하여 완전히 유연하게 대응할 수 있다.
일단 시추하여 설치된 지열 웰은 수백 년 동안에 매우 낮은 비용으로 열 에너지를 생산할 수 있으므로 유지보수 및 가동 비용을 추가로 절감할 수 있다.
현재 호주 정부는 친환경 수조 생산에 대해 2030년 목표를 Kg 당 9.10 달러로 설정하였다. 그러나, 이 생산 비용 추정치에는 1 kg의 수소를 생산하기 위해 증류 및 전기분해를 위해 30 내지 40 리터의 가열된 물을 공급하는 비용은 포함되어 있지 않다. 9 리터의 뜨거운 증류수를 전해조로 전달하고 수소를 생산한 후에 압축하기 위해서는 추가적인 태양열 또는 풍력 에너지 용량과 운영 비용이 필요하다. 현재의 지열 시스템은 해수 공급, 해수 증류, 증류수 공급 및 수소 압축 비용을 포함하여 이 목표 가격의 약 1/4로 수소를 생산하는 것으로 계산된다. 이는 현재 수소 가격을 고려하여 이 기술에서 제외되는 산업, 예를 들면, 수송, 패밀리 카, 중수송 산업, 요리 및 난방, 및 수 많은 수출 시장에 기회를 열어준다.
하나의 실시형태에서, 지열 수소 생산 시스템이 제공되며, 이 시스템은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고 이 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로, 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 가열된 액체에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 2 터빈; 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프; 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급하는 담수 펌프를 포함하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 압축 공기 공급분을 제공하는 압축기를 구동한다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 각각의 실시형태에 관련하여 명시적으로 반복되지는 않았지만, 본 명세서에 기재된 본 발명의 각각의 실시형태에는 다음의 특징이 적용가능하다는 것이 이해될 것이다:
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킬 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 회로 펌프를 구동하여 2차 회로 내에서 작동 매체를 순환시킬 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 해수 펌프를 구동하여 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 폐수 펌프를 구동하여 전해조로부터 폐수를 펌핑할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상은 발전기에 의해 생성된 전기로 구동되도록 구성될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상은 외부 전력 공급에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 외부 전력 공급은 전력망으로부터 끌어오거나 재생가능한 에너지원, 예를 들면, 풍력, 태양광, 파력 및 조력에 의해 생성될 수 있다. 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상은 재생가능한 에너지원이나 전력망으로부터 공급되는 에너지원 또는 배터리로부터 직접 구동되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에서, 지열 수소 제조 시스템이 제공되며, 이 지열 수소 제조 시스템은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 이 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 및 가열된 액체에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 2 터빈을 포함하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하도록 공기 압축기를 구동하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다. 1차 액체가 담수화 플랜트를 통과할 때 그 내부의 열 에너지를 사용하여 담수화 플랜트 내의 염수(또는 해수)를 증류한 후에 액체를 지열 웰 내로 재주입시킨다.
전기를 사용하는 대신 폐열 에너지 또는 배출된 열 에너지(발전 후)를 사용하여 기계적 에너지 요건을 제공함으로써 시스템의 효율이 향상된다. 또한 판매 또는 수소 제조에 이용가능한 순 전기 수준(net electricity level)을 향상시켜 녹색 수소 제조 및 압축 비용을 절감할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 지열 에너지에 의해 생성되는 전기의 일부는 공기 및 수소의 펌핑 및 압축에 사용될 수 있으므로 이로 인해 판매 또는 수소 제조에 이용가능한 순 전력량이 감소될 수 있다. 추가의 기계적 요건을 구동하는 전기가 친환경이므로 이 시스템은 전체적으로 친환경인 것으로 간주된다. 태양광 또는 풍력 등의 대체 에너지의 경우, 이러한 추가 요건을 제공할 수 있는 열 에너지(열)이 없으므로 선택의 여지가 없으며, 이는 태양광 및 풍력에 의해 생성되는 녹색 수소가 매우 고가인 많은 이유 중 하나이다(물 공급, 물 처리, 물 가열 및 수소 압축의 추가의 비용을 발생시킴).
본 발명의 고려된 지열 에너지 제조 시스템에서는 폐열 에너지를 사용하는 대신 전기의 일부가 이러한 펌핑 및 압축 요건에 사용되는 경우에 1차 및 2차 유체 회로의 열은 대체 수단에 의해 제거되어야 한다. 여기에는 시스템에 추가의 전기 입력을 필요로 하는 냉각기 및/또는 응축기가 수반될 수 있다. 또한 생성된 전기로 이러한 추가의 구성요소를 구동하면 판매 또는 수소 제조에 이용가능한 순 전기가 더 줄어들게 된다.
시스템의 폐열 에너지를 담수화, 펌핑 및/또는 수소의 압축에 사용하는 것이 더 효율적이고 비용효과적이다. 따라서, 이 설계는 1차 회로 및 2차 회로 냉각 및 응축에 필요한 전력을 제공하고(이는 생산된 전기의 최대 40%를 사용할 수 있음); 판매 또는 수소 제조에 사용하기 위한 순 전기량을 증가시킨다는 2가지 목적에 기여한다. 계산 상으로 2023까지 녹색 수소 제조 및/또는 압축 비용이 AU$2.00/kg 미만이 된다. 이러한 비용은 수소 제조용 전해조의 비용, 성능 및 수명의 개선으로 2030년까지 약 AU$1.00/kg까지 줄어들 수 있다.
1차 액체는 열 에너지를 박탈하는 담수화 플랜트를 통과하여 담수화 플랜트 내의 염수를 증류하여 담수 및 해수를 생성한다. 일부의 실시형태에서, 가열된 액체는 제 1 터빈 및 제 2 터빈에 순차적으로 공급된 후에 담수화 플랜트에 도입될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 1차 액체 회로 내의 1차 액체는 물일 수 있다.
1차 액체 회로 내의 액체는 제 1 터빈 및 제 2 터빈의 하류에 있는 담수화 플랜트에 전달된 후에 지열 보어로 되돌아가서 재가열된다. 1차 회로의 가열된 액체는 냉각된 상태로 담수화 플랜트로부터 토출되어 지열 웰의 웰 헤드로 다시 전달되어 재가열될 수 있다.
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.
열 사이펀은 기계적 펌프를 필요로 하지 않고 1차 액체 회로 내의 액체를 순환시키는 대류에 의해 유지되는 수동적인 열교환 모드이다. 일단 열 전달이 회로의 제 1 부분으로 시작되면, 열의 변화는 밀도의 변화를 일으키고, 회로의 일부분의 고온의 저밀도의 액체를 상승시키고, 회로의 저온의 고밀도의 액체를 하강시킨다. 즉, 자연 대류를 이용하여 회로 주위의 액체를 열원에 근접시키거나 열원으로부터 멀어지게 한다.
일부의 실시형태에서, 제 1 터빈 및 제 2 터빈은 직렬로 연결되어 가열된 액체가 순차적으로 제 1 터빈으로부터 제 2 터빈으로 이동할 수 있도록 한다.
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.
각각의 분리기 또는 플래시 분리기로부터의 잔류 유체는 1차 액체 회로 내로 재도입된 후에 후속 터빈으로 유입될 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 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.
일부의 실시형태에서, 공기 저장 탱크가 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분, 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나 내에 통합되어 압축 공기를 저장할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 시스템은 제 2 터빈으로부터의 제 2 기계적 출력에 의해 구동되고 또한 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 더 포함할 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. 담수화 플랜트로부터의 담수는 전해조로 직접 펌핑되어 산소 및 수소로 분리(분해)될 수 있다.
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.
공급 펌프 및 시동 펌프는 1차 회로의 액체 및 2차 회로의 작동 매체를 동시에 시동시키도록 구동될 수 있다. 시동 펌프는 일단 1차 액체 회로가 이동하면 비활성화될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 시스템은 1차 액체 회로의 가열된 액체에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 3 터빈을 더 포함할 수 있고, 제 3 기계적 출력은 압축기를 구동하여 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된다.
압축된 수소는 주어진 실린더 용량에 저장되는 수소의 양을 최대화하기 위해 1000 Bar로 수집 및 저장될 수 있다. 제 1, 제 2 및 제 3 터빈 중 적어도 하나는 스크류 팽창기, 터빈, ORC 터빈, 엔진, 증기 엔진 또는 수차로 치환될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 압축기를 구동하여 압축 공기 공급분을 제공한다.
본 발명의 제 2 양태에서, 2차 회로를 사용하는 지열 수소 제조 시스템이 제공되며, 이 지열 수소 제조 시스템은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고 또한 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로를 포함하고, 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 담수화 플랜트를 통과하는 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈 및 제 2 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 생성하고; 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 구동한다.
일부의 실시형태에서, 시스템은 제 2 터빈으로부터의 제 2 기계적 출력에 의해 구동되고 또한 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 더 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 3 터빈은 (i) 1차 액체 회로의 가열된 액체; 또는 (ii) 2차 회로의 가열된 작동 매체 중 어느 하나에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성할 수 있고, 제 3 기계적 출력은 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 압축기를 구동하도록 구성된다.
작동 매체가 담수화 플랜트를 통과할 때, 그 내부의 열 에너지를 사용하여 담수화 플랜트 내의 염수(또는 해수)를 증류한 후에 작동 매체는 열교환기로 되돌아가서 재가열된다. 1차 액체 회로 내의 액체는 물일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 공급 펌프는 공기 펌프일 수 있다. 작동 매체는 열 에너지를 박탈하는 담수화 플랜트를 통과하여 담수화 플랜트 내의 염수를 증류하여 담수 및 해수를 생성한다.
일부의 실시형태에서, 공기 압축기는 제 4 압축 공기 공급분을 더 제공하여 2차 회로 내의 작동 매체를 순환시키도록 회로 펌프를 구동할 수 있다. 공기 압축기는 제 4 압축 공기 공급분을 더 제공하여 2차 회로 내의 작동 매체를 순환시키도록 회로 펌프를 구동할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 담수화 플랜트로부터 염수를 펌핑하는 염수 펌프를 구동하도록 구성된 제 5 압축 공기 공급분이 제공된다. 1차 액체 회로 내의 액체는 물일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 2차 회로 내의 작동 매체는 끓는점이 낮은 2원계 유체일 수 있다. 작동 매체는 N펜탄일 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. 공급 펌프 및 시동 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 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, 제 4, 및 제 5 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; (ii) 추가의 전기 없이 담수화 플랜트에 필요한 진공 시스템을 구동하기 위해; 그리고 (iii) 수소 전해조에 담수를 공급하고 전력을 공급하기 위해 저엔탈피 지열 시스템을 사용한다.
1차 액체 회로는 열 사이펀 효과에 의해 지속되어 깊은 지열 웰의 표면에 1차 유체의 흐름을 제공한다. 1차 액체는 물 또는 증류수일 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 스크류 팽창기, 터빈 또는 워터 휠 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.
일부의 실시형태에서, 시스템은 2차 회로의 가열된 작동 매체에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 3 터빈을 더 포함할 수 있고, 제 3 기계적 출력은 압축기를 구동하여 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된다. 압축된 수소는 수소를 액체 형태로 유지하기 위해 1000 Bar로 수집 및 저장될 수 있다. 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 출력 중 임의의 하나는 펌프, 압축기 또는 발전기를 직간접적으로 구동할 수 있다.
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 스크류 팽창기, 터빈, ORC 터빈, 엔진, 증기 엔진 또는 워터 휠을 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 수소 제조 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 수소 제조 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.
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 스크류 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 수소 제조 시스템과 관련하여 위에서 설명한 모든 이점을 제공한다.
일부의 실시형태에서, 회로 펌프를 구동하여 2차 회로 내의 작동 매체를 순환시키기 위해 제 4 압축 공기 공급분이 제공된다.
일부의 실시형태에서, 제 5 압축 공기 공급분은 공기 압축기에 의해 생성될 수 있고, 이 제 5 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. 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 끌어냄으로써 진공 펌프의 진공 라인을 통해 체임버 내에 진공을 형성할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 터빈은 스크류 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. 이 방법은 또한 담수화 플랜트로부터 염수를 공급하는 해수 펌프를 구동하도록 구성된 제 3 압축 공기 공급분을 추가로 제공할 수 있다. 염수 보어는 더 나아가 대양 또는 염수 댐으로 치환되어 담수화 플랜트에 공급될 염수 공급원을 제공할 수 있다.
하나의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 1차 액체 회로 내의 담수화 플랜트를 통과하고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기를 통과하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 압축기를 구동하여 압축 공기 공급분을 제공한다.
제 3 양태에서, 본 발명은 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템을 제공하며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 1차 액체 회로 내의 담수화 플랜트를 통과하고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기를 통과하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 압축기를 구동하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급한다.
일부의 실시형태에서, 이 시스템은 제 2 터빈으로부터의 제 2 기계적 출력에 의해 구동되어 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 더 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 이 시스템은 (i) 1차 액체 회로의 가열된 액체; 또는 (ii) 2차 회로의 가열된 작동 매체 중 어느 하나에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 3 터빈을 더 포함할 수 있고, 제 3 기계적 출력은 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하기 위해 압축기를 구동하도록 구성된다.
추가의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열한 후에 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 압축 공기 공급분을 제공한다.
추가의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 열교환기에 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열한 후에 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분을 제공하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다. 작동 매체가 담수화 플랜트를 통과할 때, 그 내부의 열 에너지를 사용하여 담수화 플랜트 내의 염수(또는 해수)를 증류한 후에 작동 매체는 열교환기로 되돌아가서 재가열된다.
일부의 실시형태에서, 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 전해조에 공급하도록 구성된 담수 응축기를 포함할 수 있다. 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 염수를 가열한 후에 담수화 플랜트에 공급하도록 구성된 염수 응축기를 포함할 수 있다.
하나의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 및 압축 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 1차 액체 회로 내의 담수화 플랜트를 통과하고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기를 통과하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 압축기 및 제 2 압축기를 구동하고, 제 1 압축기는 공기를 압축하도록 구성되고, 제 2 압축기는 수소를 압축하도록 구성되고, 제 1 공기 압축기는 압축 공기 공급분을 제공한다.
하나의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 및 압축 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 1차 액체 회로 내의 담수화 플랜트를 통과하고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기를 통과하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 압축기 및 제 2 압축기를 구동하고, 제 1 압축기는 공기를 압축하도록 구성되고, 제 2 압축기는 수소를 압축하도록 구성되고, 제 1 공기 압축기는 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분을 제공하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급한다.
일부의 실시형태에서, 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 전해조에 공급하도록 구성된 담수 응축기를 더 포함할 수 있다. 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 염수를 가열한 후에 담수화 플랜트에 공급하도록 구성된 염수 응축기를 더 포함할 수 있다.
1차 액체가 담수화 플랜트를 통과할 때 그 내부의 열 에너지를 사용하여 담수화 플랜트 내의 염수(또는 해수)를 증류한 후에 액체를 지열 웰 내로 재주입시킨다.
추가의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 및 압축 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 압축기 및 제 2 압축기를 구동하고, 제 1 압축기는 공기를 압축하도록 구성되고, 제 2 압축기는 수소를 압축하도록 구성된다.
추가의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 및 압축 시스템에 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 압축기 및 제 2 압축기를 구동하고, 제 1 압축기는 공기를 압축하도록 구성되고, 제 2 압축기는 수소를 압축하도록 구성되고, 제 1 압축기는 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분을 공급하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다.
작동 매체가 담수화 플랜트를 통과할 때, 그 내부의 열 에너지를 사용하여 담수화 플랜트 내의 염수(또는 해수)를 증류한 후에 작동 매체는 열교환기로 되돌아가서 재가열된다.
일부의 실시형태에서, 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 전해조에 공급하도록 구성된 담수 응축기를 포함할 수 있다. 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 염수를 가열한 후에 담수화 플랜트에 공급하도록 구성된 염수 응축기를 포함할 수 있다.
추가의 실시형태에서, 지열 에너지에 의해 동력을 공급받고 압축 공기에 의해 구동되는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법이 제공되며, 이 방법은 액체를 지열 웰 내에 공급하고 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 1차 액체는 열 에너지를 담수화 플랜트에 전달함 -; 가열된 액체를 1차 액체 회로로부터 제 1 터빈 및 제 2 터빈으로 전달하여 각각 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 생성하는 단계; 제 1 기계적 출력을 발전기로 안내하여 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하는 단계, 및 제 2 기계적 출력을 압축기로 안내하여 압축 공기 공급분을 생성하는 단계를 포함한다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 염수를 담수화 플랜트로 구동하도록 구성된 공급 펌프; 1차 액체 회로를 시동시키기 위한 시동 펌프; 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시키는 담수 펌프; 2차 회로 내에서 작동 매체를 순환시키기 위한 회로 펌프; 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하기 위한 해수 펌프; 및 전해조로부터 폐수를 펌핑하기 위한 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상을 구동하도록 안내될 수 있다. 1차 액체 회로 내의 액체는 물 또는 증류수일 수 있다.
제 4 양태에서, 본 발명은 지열 에너지에 의해 동력을 공급받는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법은 액체를 지열 웰 내로 공급하고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 1차 액체는 열 에너지를 담수화 플랜트로 전달함 -; 가열된 액체를 1차 액체 회로로부터 제 1 터빈 및 제 2 터빈으로 전달하여 각각 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 생성하는 단계; 제 1 기계적 출력을 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하기 위한 발전기로 안내하는 단계, 및 제 2 기계적 출력을 압축기로 안내하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하며, 제 1 압축 공기 공급분은 염수를 담수화 플랜트로 구동하도록 구성된 공급 펌프를 구동하고, 제 2 압축 공기 공급분은 1차 액체 회로를 시동시키기 위한 시동 펌프를 구동하고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시키기 위한 담수 펌프를 구동한다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터 직접적으로 터빈을 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 제 2 압축기를 제 2 터빈의 제 2 기계적 출력에 의해 구동하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제 2 압축기는 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된다. 이 방법은 가열된 액체를 1차 액체 회로로부터 제 3 터빈으로 전달하여 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계, 및 제 3 기계적 출력을 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 방법은 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터의 열이 2차 회로의 작동 매체에 열을 제공하여 터빈을 구동하는 2차 회로로부터 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태의 1차 회로와 2차 회로 사이의 열 전달은 열교환기를 통해 실행될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 공기 압축기를 통해 주위 공기를 흡인하는 단계는 공기 진공 펌프를 통해 실행될 수 있다. 이 방법은 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인하여 그 내부에 진공 펌프의 진공 라인을 통해 진공을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 스크류 팽창기, 증기 엔진, 및 ORC 터빈 중 임의의 하나로 치환하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 가열된 액체 또는 가열된 작동 매체를 제 3 터빈으로 더 전달하여 압축기를 구동하기 위한 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1, 제 2, 및 제 3 터빈 중 적어도 하나는 일련의 터빈을 포함할 수 있다. 공기 압축기는 스크류 압축기 또는 피스톤 압축기일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 염수 보어는 대양 또는 염수 댐으로 치환되어 담수화 플랜트에 공급될 염수 공급원을 제공할 수 있다.
제 5 양태에서, 본 발명은 지열 에너지에 의해 동력을 공급받는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법은 액체를 지열 웰 내로 공급하고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하는 단계 - 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈 및 제 2 터빈을 구동하여 각각 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 생성함 -; 제 1 기계적 출력을 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하는 발전기로 안내하는 단계, 및 제 2 기계적 출력을 제 1 압축기로 안내하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하며, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트로 구동하기 위해 공급 펌프를 구동하도록 구성되고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시킨다.
추가의 양태에서, 본 발명은 지열 에너지에 의해 동력을 공급받는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법은 이 방법은 액체를 지열 웰 내로 공급하고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 1차 액체는 열 에너지를 담수화 플랜트로 전달함 -; 1차 회로의 가열된 액체를 열교환기에 공급하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하는 단계 - 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 액체 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 각각 제 2 기계적 출력을 생성함 -; 제 1 기계적 출력을 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하는 발전기로 안내하는 단계, 및 제 2 기계적 출력을 압축기로 안내하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하며, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트로 구동하도록 구성되고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시킨다.
이 방법은 제 2 압축기를 제 2 터빈의 제 2 기계적 출력에 의해 구동하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제 2 압축기는 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된다. 이 방법은 가열된 액체를 1차 액체 회로로부터 제 3 터빈으로 전달하여 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계, 및 제 3 기계적 출력을 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 방법은 1차 액체 회로의 가열된 액체로부터의 열이 2차 회로의 작동 매체에 열을 제공하여 터빈을 구동하는 2차 회로로부터 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태의 1차 회로와 2차 회로 사이의 열 전달은 열교환기를 통해 실행될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 공기 압축기를 통해 주위 공기를 흡인하는 단계는 공기 진공 펌프를 통해 실행될 수 있다. 이 방법은 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인하여 그 내부에 진공 펌프의 진공 라인을 통해 진공을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 스크류 팽창기, 증기 엔진, 및 ORC 터빈 중 임의의 하나로 치환하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 가열된 액체 또는 가열된 작동 매체를 제 3 터빈으로 더 전달하여 압축기를 구동하기 위한 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1, 제 2, 및 제 3 터빈 중 적어도 하나는 일련의 터빈을 포함할 수 있다. 공기 압축기는 스크류 압축기 또는 피스톤 압축기일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 염수 보어는 대양 또는 염수 댐으로 치환되어 담수화 플랜트에 공급될 염수 공급원을 제공할 수 있다.
이 방법은 제 2 압축기를 제 2 터빈의 제 2 기계적 출력에 의해 구동하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제 2 압축기는 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된다. 이 방법은 가열된 액체를 1차 액체 회로로부터 제 3 터빈으로 전달하여 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계, 및 제 3 기계적 출력을 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 2차 회로의 작동 매체로부터의 열을 담수 응축기를 통해 인출하여 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 이 담수를 전해조에 공급하는 단계; 또는 2차 회로의 작동 매체로부터의 열을 염수 응축기를 통해 인출하여 염수를 가열한 후에 이 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
2차 회로 내의 작동 매체는 끓는점이 낮은 2원계 유체일 수 있다. 작동 매체는 N-펜탄일 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 발전기로부터 공급 펌프, 시동 펌프 및 담수 펌프 중 적어도 하나에 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 공기 구동식 공급 펌프를 사용하여 염수 공급원으로부터 염수를 펌핑하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 지열 암모니아 제조 시스템이 제공되며, 이것은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 이 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 및 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈 및 제 2 터빈을 포함하고, 제 1 기계적 출력은 (i) 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조; 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 질소 플랜트를 통해 주위 공기를 흡인하여 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트에 공급하고, 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 어느 하나는 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 담수 펌프 중 적어도 하나를 구동하도록 구성된다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시킬 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 회로 펌프를 구동하여 2차 회로 내에서 작동 매체를 순환시킬 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 해수 펌프를 구동하여 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 폐수 펌프를 구동하여 전해조로부터 폐수를 펌핑할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상은 발전기에 의해 생성된 전기로 구동되도록 구성될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상은 외부 전력 공급에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 외부 전력 공급은 전력망으로부터 끌어오거나 재생가능한 에너지원, 예를 들면, 풍력, 태양광, 파력 및 조력에 의해 생성될 수 있다. 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프 중 임의의 하나 이상은 재생가능한 에너지원이나 전력망으로부터 공급되는 에너지원 또는 배터리로부터 직접 구동되도록 구성될 수 있다.
일부의 실시형태에서,지열 암모니아 제조 시스템이 제공되며, 이것은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 이 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -; 및 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈, 제 2 터빈 및 제 3 터빈을 포함하고; 제 1 기계적 출력은 (i) 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조; 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 질소 플랜트를 통해 주위 공기를 흡인하여 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트에 공급하고, 제 3 기계적 출력은 압축기를 구동하여 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하고, 이 압축된 수소를 암모니아 제조 플랜트에 공급하도록 구성되고; 제 1 기계적 출력, 제 2 기계적 출력 및 제 3 기계적 출력 중 어느 하나는 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하도록 구성된다. 공급 펌프 및 담수 펌프는 공기 압축기로부터의 압축 공기 공급원에 의해 구동되는 공기 구동식 펌프일 수 있다.
암모니아는 식품 생산에서 비료 제조용으로 사용된다. 현재의 암모니아 제조에서는 화석 연료 에너지원을 사용하여 공기로부터 질소를 분리하고, 이것을 하버-보쉬 프로세스(HBP)를 사용하여 수소와 조합하여 암모니아를 형성한다. 전형적으로, HBP는 주로 비료 생산에 사용되는 암모니아 제조의 주요 산업 프로시저이다. HBP는 고온(400℃-500℃) 및 고압(10MPa+) 하에서 금속 촉매를 사용하여 수소(H2)와의 반응에 의해 대기 중의 질소(N2)를 암모니아(NH3)로 변환시킨다:
N2 + 3H2 →2NH3
이 변환은 니켈 촉매를 사용하여 탄소 원자 및 수소 원자를 분리하는 개질기 내에서 고온 및 고압의 수증기를 사용하여 실시된다. 촉매는 질소가 3중 원자 결합으로 인해 매우 반응성이 낮이 때문에 필요하다. 따라서, HBP는 원자 결합의 절단을 촉진하는 촉매를 필요로 한다. 전형적으로, HBP는 가스상 시약과 상호작용하는 불균질 촉매 또는 고체 촉매를 사용한다. 전형적인 촉매는 철 산화물 담체를 함유하는 페라이트계이다.
암모니아는 그 유명한 비료 특성 외에도 수소의 에너지 밀도보다 높은 에너지 밀도를 가진 우수한 에너지 담체이기도 하다. 암모니아는, 상온에서 액체 형태인 경우에, 약 3 kWh/리터의 에너지 밀도를 가지며, - 35℃까지 냉각되면 에너지 밀도는 거의 4 kWh/리터까지 증가할 수 있다.
암모니아는, 그 에너지 밀도에 더하여, 저장 및 수송이 쉽고 싸며 프로판 등의 생성물을 수송하기 위해 이미 구축되어 있는 기존의 세계적 인프라를 이용할 수 있다. 암모니아는 그 에너지 밀도가 높기 때문에 에너지 저장에 사용될 수 있고, 이는 재생가능한 공급원으로부터 유래되는 에너지를 수집 및 저장하는 큰 기회를 제공한다.
암모니아는 독성이라고 하는 일부의 위험을 수반하지만 그 위험은 다른 가스, 예를 들면, 메탄이나 메탄올과 다르지 않다. 그러나, 암모니아는 많은 독소와 달리 유출되었을 때 빠르게 소산되고 자가중화를 시작한다. 따라서, 암모니아는 지면에 축적되지 않고, 식물 및 박테리아가 흡수하여 질소화를 촉진할 수 있다.
또한, 암모니아는 프로판 및 부탄과 유사하게 주위 온도에서 약 7.5 bar에서 액화될 수 있고, 기지의 제품(극저온 저장을 필요로 하는 액화천연가스(LNG) 등)을 넘은 추가의 이점을 제공하여 해운 산업에 제로에미션의 대안을 제공한다.
일부의 실시형태에서, 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 출력 중 어느 하나는 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키도록 구성될 수도 있다.
제 2 기계적 출력에 의해 구동되는 공기 압축기는 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분을 제공하도록 구성될 수 있고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다.
일부의 실시형태에서, 발전기로부터의 전력 출력은 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프; 1차 액체 회로를 시동시키는 시동 펌프; 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 담수 펌프를 구동하도록 구성된다.
제 2 기계적 출력에 의해 구동되는 공기 압축기는 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하도록 구성될 수 있고, 적어도 하나 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다.
발전기로부터의 전력 출력은 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프; 1차 액체 회로를 시동시키는 시동 펌프; 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 담수 펌프 중 적어도 하나를 구동하도록 구성된다.
제 1, 제 2 및 제 3 기계적 출력 중 어느 하나는 산소 압축기를 구동하여 전해조에 의해 생성되는 산소를 압축하도록 구성될 수 있다. 산소 압축기는 공기 압축기와 함께 이중 터빈 배치에서 제 2 기계적 출력에 의해 구동될 수 있다. 압축된 수소는 300℃ 이상의 온도에서 암모니아 제조 플랜트에 공급될 수 있다. 압축된 수소는 20 bar 이상의 압력에서 암모니아 제조 플랜트에 공급될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 담수화 플랜트에 염수의 공급분은 압축 후의 압축된 수소를 냉각하기 위해 냉각기를 통해 흡인될 수 있다. 1차 액체 회로로부터 가열된 액체는 암모니아 제조 플랜트로 전달되어 그곳에 열 에너지를 공급할 수 있다. 가열된 액체는 1차 액체 회로로부터 인출된 후에 제 1 플래시 분리기로 유입된다. 암모니아 제조 플랜트로부터 배출된 가열된 액체는 제 1 플래시 분리기 후에 1차 액체 회로에 재도입될 수 있다. 암모니아 제조 플랜트로부터 배출된 가열된 액체는 제 2 플래시 분리기 또는 제 3 플래시 분리기 후에 1차 액체 회로에 재도입될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 암모니아 제조 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 1차 액체 회로 내의 담수화 플랜트를 통과하고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기를 통과하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 (i) 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조; 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 제 1 공기 압축기 및 제 2 수소 압축기를 구동하고, 제 1 압축기는 질소 플랜트를 통해 주위 공기를 흡인하여 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트에 공급하도록 구성되고, 제 2 압축기는 전해조에 의해 생성된 수소를 압축하여 압축된 수소를 암모니아 제조 플랜트에 공급하도록 구성되고, 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 어느 하나는 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급하는 담수 펌프를 구동하도록 구성된다.
일부의 실시형태에서, 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 암모니아 제조 시스템이 제공되며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기에 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 (i) 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조; 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 질소 플랜트를 통해 주위 공기를 흡인하여 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트에 공급하고, 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 어느 하나는 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급하는 담수 펌프를 구동하도록 구성된다.
일부의 실시형태에서, 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 어느 하나는 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키도록 구성될 수도 있다. 제 2 기계적 출력에 의해 구동되는 공기 압축기는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5, 및 제 6 압축 공기 공급분 중 하나 이상을 제공하도록 구성될 수 있고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하고, 제 4 압축 공기 공급분은 회로 펌프를 구동하여 2차 회로 내에서 작동 매체를 순환시키고, 제 5 압축 공기 공급분은 해수 펌프를 구동하여 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하고, 제 6 압축 공기 공급분은 폐수 펌프를 구동하여 전해조로부터 폐수를 펌핑한다.
발전기로부터의 전력 출력은 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프; 1차 액체 회로를 시동시키는 시동 펌프; 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 담수 펌프; 2차 회로 내에서 작동 매체를 순환시키는 회로 펌프, 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하는 해수 펌프, 및 전해조로부터 폐수를 펌핑하는 폐수 펌프 중 하나 이상을 구동하도록 구성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 공급 펌프, 시동 펌프, 담수 펌프, 회로 펌프, 해수 펌프 및 폐수 펌프는 외부 전원, 대체 에너지원, 또는 배터리에 의해 구동될 수 있다.
제 2 기계적 출력에 의해 구동되는 공기 압축기는 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하도록 구성될 수 있고, 적어도 하나 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다.
일부의 실시형태에서, 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 어느 하나는 또한 산소 압축기를 구동하여 전해조에 의해 생성되는 산소를 압축하도록 구성될 수 있다. 산소 압축기는 공기 압축기와 함께 이중 터빈 배치에서 제 2 기계적 출력에 의해 구동될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 2 또는 제 3 기계적 출력은 추가의 압축기를 구동하여 전해조로부터 인출된 수소를 압축한 후에 암모니아 제조 플랜트에 공급하도록 구성될 수 있다. 압축된 수소는 300℃ 이상의 온도에서 암모니아 제조 플랜트에 공급될 수 있다. 압축된 수소는 20 bar 이상의 압력에서 암모니아 제조 플랜트에 공급될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 담수화 플랜트에 염수의 공급분은 압축 후의 압축된 수소를 냉각하기 위해 냉각기를 통해 흡인될 수 있다. 1차 액체 회로로부터 가열된 액체는 암모니아 제조 플랜트로 전달되어 그곳에 열 에너지를 공급할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 가열된 액체는 1차 액체 회로로부터 인출된 후에 열교환기로 유입될 수 있다. 암모니아 제조 플랜트로부터 배출된 가열된 액체는 1차 액체 회로로 재도입된 후에 열교환기로 유입될 수 있다. 암모니아 제조 플랜트로부터 배출된 가열된 액체는 1차 액체 회로로 재도입된 직후에 후에 열교환기로 유입될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 2차 회로는 2차 회로로부터 열을 인출하여 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 전해조에 공급하도록 구성된 담수 응축기; 및 2차 회로로부터 열을 인출하여 염수를 가열한 후에 담수화 플랜트에 공급하도록 구성된 염수 응축기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 지열 에너지에 의해 구동되는 암모니아 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법이 제공되며, 이 방법은 액체를 지열 웰 내로 공급하고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 이 1차 액체는 열 에너지를 담수화 플랜트에 전달함 -; 1차 액체 회로로부터 가열된 액체를 제 1 터빈, 제 2 터빈 및 제 3 터빈으로 전달하여 제 1 기계적 출력, 제 2 기계적 출력 및 제 3 기계적 출력을 각각 생성하는 단계; 제 1 기계적 출력을 발전기로 안내하여 (i) 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조; 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트에 전력을 공급하는 단계; 제 2 기계적 출력을 공기 압축기로 안내하여 질소 플랜트를 통해 주위 공기를 흡인하여 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트에 공급하는 단계; 제 3 기계적 출력을 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하여 이 압축된 수소를 암모니아 제조 플랜트에 공급하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계; 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 단계; 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 단계를 포함한다. 공급 펌프 및 담수 펌프 중 하나 이상은 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 출력 중 어느 하나에 의해 구동될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 시동 펌프를 구동하여 제 1, 제 2 및 제 3 기계적 출력 중 어느 하나로부터 1차 액체 회로를 시동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 공기 압축기로부터 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급한다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프; 1차 액체 회로를 시동시키는 시동 펌프; 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 담수 펌프에 발전기로부터의 전력 출력에 의해 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 공기 압축기로부터 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급한다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프; 1차 액체 회로를 시동시키는 시동 펌프; 및 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조에 공급하는 담수 펌프 중 적어도 하나에 발전기로부터의 전력 출력에 의해 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 지열 암모니아 제조 시스템에 제공되며, 이 시스템은 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 이 1차 액체 회로는 열 에너지를 담수화 플랜트에 공급함; 및 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈 및 제 2 터빈을 포함하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 전력망에 전력을 제공하도록 구성된 제 2 발전기, 및 지역 냉방 네트워크와 접속된 냉각 회로를 구동하고, 이 냉각 회로는 1차 액체 회로의 잔류 열 에너지에 의해 구동되는 냉각기를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 냉각 회로의 열 전달 매체는 물 또는 증류수일 수 있다.
제 1 발전기는 DC 발전기일 수 있다. 이 시스템의 일부의 실시형태에서, DC 발전기로부터의 전력은 시스템 내의 펌프 및 압축기에 전력을 공급하는 데 사용될 수도 있다. 제 2 발전기는 지역의 에너지망 내에 직접 추가의 전기 에너지를 공급하도록 구성된 AC 발전기일 수 있고, 시스템의 추가의 상업적 수익원을 제공한다.
이 시스템은 해수 냉각지(cooling pond) 및 담수 냉각지 등의 일련의 냉각지를 더 포함할 수 있다.
냉각기는 흡수 냉각기, 원심 냉각기, 또는 헬리컬 로터리 냉각기일 수 있다. 냉각기는 암모니아 흡수 냉각기일 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 제 1 터빈 및 제 2 터빈이 지열 웰로부터 가열된 액체로 직접 구동되는 지열 수소 제조 시스템의 개략도이고;
도 2는 웰로부터의 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는 도 1의 지열 수소 제조 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 수소 제조 시스템의 개략도이고;
도 5는 지열 웰로부터의 열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는 도 4의 지열 수소 제조 시스템의 개략도이고;
도 6은 담수화 프로세스 및 발전을 동시에 구동하기 위한 개별의 기계적 출력을 제공하기 위한 복수의 터빈을 예시하는 지열 수소 제조 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 한 쌍의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 단이 회로 지열 수소 제조 플랜트의 개략도이고;
도 9는 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고, 제 2 터빈이 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2차 회로 또는 2원 회로를 갖는 지열 수소 제조 플랜트의 개략도이고;
도 10은 3 개의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되어 전기를 생성하고, 공기 압축기를 구동하고, MED 담수화 플랜트에도 공급하는 충분한 폐열로 수소 압축기를 구동하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 및 압축 시스템의 개략도이고;
도 11은 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고, 공기 압축기 및 수소 압축기가 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 및 압축 플랜트의 개략도이고;
도 12는 지열 에너지에 의해 동력을 공급받고 압축 공기에 의해 구동되는 녹색 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하기 위한 방법의 단계를 예시하는 흐름도이고;
도 13은 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고 제 2 터빈인 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2차 회로 또는 2원 회로를 갖는 지열 수소 및 암모니아 제조 플랜트의 개략도이고;
도 14는 3 개의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되어 전기를 생성하고, 공기 압축기를 구동하고, MED 담수화 플랜트에도 공급하는 충분한 폐열로 공기 압축기, 수소 압축기 및 산소 압축기를 구동하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 및 압축 시스템의 개략도이고;
도 15는 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되어 발전기에 전력을 공급하고, 1차 회로가 공기 압축기, 수소 압축기 및 산소 압축기를 구동하도록 구성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 및 압축 플랜트의 개략도이고;
도 16은 1차 액체 회로를 냉각하는 지역 냉방 시스템을 예시하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 시스템의 개략도이다.
도 2는 웰로부터의 지열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는 도 1의 지열 수소 제조 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 수소 제조 시스템의 개략도이고;
도 5는 지열 웰로부터의 열 에너지에 의해 구동되는 압축 공기 회로를 예시하는 도 4의 지열 수소 제조 시스템의 개략도이고;
도 6은 담수화 프로세스 및 발전을 동시에 구동하기 위한 개별의 기계적 출력을 제공하기 위한 복수의 터빈을 예시하는 지열 수소 제조 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 한 쌍의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 단이 회로 지열 수소 제조 플랜트의 개략도이고;
도 9는 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고, 제 2 터빈이 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2차 회로 또는 2원 회로를 갖는 지열 수소 제조 플랜트의 개략도이고;
도 10은 3 개의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되어 전기를 생성하고, 공기 압축기를 구동하고, MED 담수화 플랜트에도 공급하는 충분한 폐열로 수소 압축기를 구동하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 및 압축 시스템의 개략도이고;
도 11은 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고, 공기 압축기 및 수소 압축기가 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 및 압축 플랜트의 개략도이고;
도 12는 지열 에너지에 의해 동력을 공급받고 압축 공기에 의해 구동되는 녹색 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하기 위한 방법의 단계를 예시하는 흐름도이고;
도 13은 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고 제 2 터빈인 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2차 회로 또는 2원 회로를 갖는 지열 수소 및 암모니아 제조 플랜트의 개략도이고;
도 14는 3 개의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되어 전기를 생성하고, 공기 압축기를 구동하고, MED 담수화 플랜트에도 공급하는 충분한 폐열로 공기 압축기, 수소 압축기 및 산소 압축기를 구동하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 및 압축 시스템의 개략도이고;
도 15는 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되어 발전기에 전력을 공급하고, 1차 회로가 공기 압축기, 수소 압축기 및 산소 압축기를 구동하도록 구성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 및 압축 플랜트의 개략도이고;
도 16은 1차 액체 회로를 냉각하는 지역 냉방 시스템을 예시하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 시스템의 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 명세서에서 지열 수소 제조 시스템의 담수화 플랜트, 2차 회로를 구비하는 지열 수소 제조 시스템, 및 지열 수소 제조 및 압축 시스템은 MED 담수화 플랜트와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 양태는 역삼투(RO) 담수화 플랜트에도 적용될 수 있는 것으로 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 터빈 또는 스크류 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.
본 명세서에서 "녹색 수소" 라는 용어는 재생가능 전기에 의해 생성되는 수소 생성물을 정의하기 위해 사용되었다. 이것은 석탄이나 갈탄에 의해 생성되는 갈색 수소, 메탄 등의 천연가스에 의해 생성되는 회색 수소(둘 모두 대기 중의 배출됨), 및 또한 천연가스에 의해 생성되는 청색 수소(또한 방출된 탄소를 추가로 포집하고 때로는 저장함)와 대조적이다. 종래의 제조 방법을 사용하면 녹색 수소는 전형적으로 청색 수소의 2 배의 비용이 든다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 시스템(100)이 예시되어 있으며, 이것은 액체(3)를 지열 웰(5) 내로 순환시키고, 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리는 1차 액체 회로(1) - 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)를 통과함 -; 가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력(12)을 생성하는 제 1 터빈(10); 및 가열된 액체(4)에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하는 제 2 터빈(10a)을 포함하고, 여기서 제 1 기계적 출력(12)은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 공기 압축기(14)를 구동하여 제 1(13), 제 2(15) 및 제 3 압축 공기 공급분(31)을 제공하고, 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 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분(31)은 담수 펌프(38)를 구동하여 담수화 플랜트(40)로부터 담수(19)를 전해조(49)로 구동한다.
지열 웰(5)은 액체(3)를 가열하기 위해 약 270℃- 300℃의 보텀 홀(bottom-hole) 지질 온도를 필요로 한다. 본 명세서에서, 1차 액체는 물이지만 이 1차 회로에서 다른 액체를 사용할 수도 있다. 물은 시스템(100)에의 누출 또는 손상이 주위 환경에 물 이외의 어느 것도 방출하지 않으므로 위험성이 낮은 액체이다.
저온 액체(3)가 웰(5) 내로 흡인되어 가열됨에 따라 지열에 의해 가열된 액체(4)는 열 사이펀 효과에 의해 지표면까지 강제적으로 압출된다. 액체(3)는 물일 수 있고, 여기서 웰(5)로부터 가열된 물(4)을 사용하여 제 1 터빈(10)을 구동하며, 이것은 발전기(47)를 구동한다. 발전기(47)에 의해 생성되는 전기 에너지는 전해조(49)에 전력을 공급하기 위해 케이블이나 도관을 통해 전달된다. 시스템의 이 부분에 대해서는 도 8 내지 도 10과 관련하여 더 상세히 설명한다.
가열된 액체(4)는 제 1 터빈(10)으로부터 배출된 후에 재충전되고, 다음에 제 2 터빈(10a)에 공급되어 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하여 압축기(14)를 구동하고, 여기서 압축기(14)는 공기 압축기이다.
제 2 터빈(10a)에서 나간 (배기된) 후 증기(6) 형태 및/또는 가열된 액체(4) 형태의 여전히 고온인 배기(9a)는 1차 회로(1)로 재도입되어 혼합된 후에 담수화 플랜트(40)로 안내된다.
공기 압축기(14)는 일단 활성화되면 제 1 측 상에서 주위 공기(28)를 흡인하여 도 2에 더 상세히 도시된 담수화 플랜트(40)의 체임버에 진공을 생성한다.
공기 압축기(14)의 제 2 측은 적어도 제 1 압축 공기 공급분(13), 제 2 압축 공기 공급분(15) 및 제 3 압축 공기 공급분(31)에 직접적으로 (또는 저장 탱크(37)를 경유하여) 압축 공기를 출력한다. 일부의 실시형태에서, 제 4 압축 공기 공급분(32) 및 제 5 압축 공기 공급분(46)은 공기 압축기(14)로부터 공급받아서 보조 펌프(도 4 및 도 5를 참조하여 더 상세히 설명됨)를 구동할 수 있다.
제 1 압축 공기 공급분(13)의 압축 공기는 해수 또는 염수 보어(18) 내로 공기를 펌핑하여 염수 보어(18)(약 20m 내지 50m 깊이)로부터 염수를 펌핑하는 공급 펌프(29)를 구동하고, 이 염수는 2 개의 개별적인 출력으로서 담수 출구(20) 및 해수 출구(21)를 제공하는 담수화 플랜트(40)에 공급된다. 1차 회로는 시스템(100)의 1차 회로(1)를 시동시키기 위한 시동 펌프(36a) 또는 유사한 시동 시스템을 포함할 수도 있다. 시동 펌프(36a)는 열 사이퍼닝 프로세스가 개시될 때까지는 제 2 압축 공기 공급분(15)으로부터의 공기에 의해 구동되고, 그 이후에는 펌핑에 대한 추가 요건이 거의 또는 전혀 없다(예를 들면, 시스템 가동을 유지하기 위한 에너지 투입이 0 내지 무시가능한 정도까지임).
도 1에서 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. 지열 웰(5)이 폐루프로서 구성된 경우, 1차 회로(1) 내의 가열 매체로서 대체 액체가 선택될 수 있다. 웰이 개방형인 경우, 주위 환경에 미치는 시스템의 영향을 최소화하기 위해 물이 바람직한 가열 매체이다.
도 1 및 도 2에서, 1차 회로(1)는 파선의 라인으로 도시되어 있고, 압축 공기 라인(13, 15, 31)은 점선의 라인으로 도시되어 있다. 터빈(10)과 발전기(47) 사이, 및 2차 터빈(10a)과 공기 압축기(14) 사이에는 각각의 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a), 예를 들면, 이들 사이의 회전 운동을 전달하는 샤프트 또는 액슬을 나타내는 검은색 실선이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 저장 탱크(37)는 압축 공기 공급 라인(13, 15, 31, 32, 46) 중 적어도 하나 내에 포함되어 시스템(100)의 시동을 위한 또는 공기 압축기(14)의 작동 전에 시스템을 사용하기 위한 압축 공기를 저장할 수 있다.
액체(3)가 지열 웰(5)의 외부 애뉼러스(5a) 내로 유입됨에 따라 이것은 가열되고(도 1에서 웰(5)을 향하는 화살표로서 도시된 열), 가열된 액체(4)는 중심의 단열된 케이싱(5b)을 통해 상승하여 가열된 액체(4)를 지표면의 웰 헤드(7)에 이른다.
가열된 액체(4)는 웰(5)의 위치, 웰(5)의 깊이 및 해당 지역의 지질에 따라 270℃ 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.
1차 회로(1) 내의 액체가 270℃-300℃의 온도로 웰 헤드(7)로부터 나가면 플래시 분리기(25)를 사용하여 터빈(10)을 구동하기 위한 증기(예를 들면, 수증기)를 제공한다. 일부의 상황에서, 가열된 액체(4)는 가압된 상태(끓지 않음)로 유지될 수 있고, 장치를 구동하여 열 에너지를 운동으로 변환할 수 있다.
플래시 분리기(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)가 플래시 분리기 또는 분리기(25) 내로 유입되면 분리기 내의 압력은 감소된다. 이러한 압력 강하로 인해 가열된 액체(4)의 일부가 기화되고, 가열된 액체(4)가 물인 경우에는 수증기(6)가 생성된다. 수증기(6)는 터빈(10)으로 전달되고, 이곳에서 수증기(6)의 흐름은 터빈(10) 또는 엔진을 구동하여, 회전되는 샤프트로서 도 1에 개략적으로 예시된, 기계적 출력(12)을 생성한다. 다음에 샤프트의 운동으로서의 기계적 출력(12)은 발전기(47)로 전달된다. 이와 같이 하여, 웰(5)의 지질로부터 인출된 열 에너지의 적어도 일부는 터빈(10)에 접속된 전기 압축기(47)를 구동하는 데 사용된다.
가열된 액체(4)가 분리기(25)로 도입될 때, 가열된 액체(4)는 전형적으로 가열된 액체(4)의 압력을 감소시켜 플래시 증발을 시작하는 스로틀링 밸브를 경유하여 분리기(25) 내로 들어간다. 이 액체(4)의 일부는 증기로, 물이 선택된 액체인 경우에는 수증기로 즉각 "플래싱(flashing)"된다. 그 다음에 증기는 분리기(25)의 상부로부터 배출되어 터빈(10)을 구동한다.
플래싱 후, 1차 회로(1)의 플래싱되지 않은 액체 또는 잔류 가열된 액체(8)는 출구 또는 드레인(26)을 통해 분리기(25)를 나간다. 동시에, 증기 및/또는 수증기(6)는 온도가 저하된 배기(9)로서 터빈(10)으로부터 배출된다. 잔류 가열된 액체(8)는 터빈(10)의 배기(9)와 혼합되어 온도가 다시 상승된 후에 2차 플래시 분리기(25a)로 안내된다.
잔류 가열된 액체(8) 및 배기(9)로 구성된 1차 회로(1)의 액체는 2차 분리기(25a)로 공급되고, 2차 분리기(25a)로 유입될 때 다시 압력이 감소하여 약 10%의 액체가 증기 또는 수증기(6a)로 즉각 증발된다. 다음에 이 증기(6a)는 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하여 공기 압축기(14)를 구동하는 제 2 터빈(10a)으로 유도된다.
The un-플래시ed 잔류 가열된 액체(8a) of the 2차 분리기(25a)
2차 분리기(25a)의 플래싱되지 않은 잔류 가열된 액체(8a)는 드레인(26a)을 통해 나가서 제 2 터빈(10a)의 배기(9a)와 조합되어 1차 액체 회로(1)로 복귀하고, 일단 조합되면 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버로 전달되어 그 곳에 도입된 염수(16)를 증발시킨다.
마지막으로, 1차 액체 회로(1)는 각 터빈(10, 10a)의 각 분리기(25, 25a)를 통과하여 담수화 플랜트(40)를 빠져나온 후에 지열 웰(5)로 복귀하여 재가열된다.
플랜트(40)를 나갈 때, 1차 회로(1)의 액체는 50℃-60℃의 감소된 온도로 시동 펌프(36a)를 통해 안내된 후에 웰(5)로 되돌아가서 열 사이펀 효과를 계속한다.
1차 액체 회로(1)는 (적어도 웰(5)의 외측에서) 폐쇄 루프이다. 그러나, 보충수 공급분(43)은, 도 6에 예시된 바와 같이, 루프 내로 통합될 수 있고, 이로 인해 MED 플랜트(40) 내에서 담수화된 담수(19)는 담수 출구(20)로부터 1차 액체 회로(1) 내로 전환된다.
시동 펌프(36a)는 회로(1)를 시동시키는 데에만 사용되고 시동 후에는 불필요하다. 시동 펌프(36a)는 유체 공기 펌프이고, 압축기(14)로부터의 제 2 압축 공기 공급분(15)에 의해 구동된다. 시동 펌프(36a)가 제 2 압축 공기 공급분(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 케이싱(5b) 내부의 액체 온도는 웰(5)의 애뉼러스(5a) 내의 단열된 케이싱(5b) 외부의 액체 온도와 동일하고(출구 및 입구가 폐쇄되어 있음), 웰(5) 내의 액체(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(36)가 필요하고, 또는 고가식 저장 탱크 내에 저장된 상온의 물을 중력이나 수두압에 의해 웰 헤드(7)의 애뉼러스 내로 전달하므로 추가 에너지의 필요성이 회피된다. 저온 액체(3)가 웰 헤드(7)에 추가되는 즉시, 새로 추가된 액체의 무게는 웰(5) 내부의 가열된 액체(4)의 무게보다 더 무겁고, 저온 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 출력에 따라 당업자는 위에서 설명한 터빈(10, 10a)을 대체 기계, 예를 들면, 직류 터빈, ORC 터빈, 스크류 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.
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. 플랜트(40)의 각각의 체임버를 통해 효과를 지속시키기 위해 후속 체임버 내로 추가의 염수가 분사될 수도 있다.
시스템(100)의 1차 액체 회로(1)는 이차 터빈(10a)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, 저온의 염수 또는 해수가 MED 플랜트(40)를 통해 1차 액체 회로(1)에 연통하는 내부 파이프에 분사되어 1차 액체 회로의 온도를 60℃ 내지 50℃로 저하시킨다.
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 회로(1) 내의 액체는 도 1에 공기 펌프로서 예시된 시동 펌프(36a)에 의해 열 사이퍼닝이 발생하여 1차 유체 회로(1)의 액체가 자연 순환될 때까지 지열 웰 헤드(7)의 입구로 펌핑된다. 따라서, 시동 펌프(36a)는 1차 유체 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 전해조(49)로 안내하여 전해조에서의 반응을 유지하여 그 안에서 수소를 지속적으로 생성한다.
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, 제 2 및 제 3 공기 공급 라인(13, 15, 31)에 압축 공기를 제공하고, 동시에 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. 제 2 터빈(10a)에 의해 구동되는 압축기(14)는 주위 공기(28)를 시스템 내로 흡인하여 이 공기를 공급 라인(13, 15, 31) 내로 압축시킨다. 압축기(14)로부터의 흡인은 주위 공기(28)를 흡인하고, 그 때 공기 진공 펌프(22)를 구동한다. 압축기는 적어도 3 개의 공급 라인(13, 15, 31)을 제공하지만 도 4 및 도 5를 참조하여 본 명세서에서 설명한 바와 같이 더 많은 공급라인을 제공할 수 있다.
제 1 압축 공기 공급분(13)은 염수 보어(18) 또는 대양 또는 염수 또는 해수 저장 탱크 또는 댐에 깊은 곳에 배치된 공급 펌프(29) 또는 에어웰(air-well) 펌프로 안내될 수 있다. 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 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 증류된 담수(19)가 담부 출구(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 단일 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. 일부의 실시형태에서, 제 5 압축 공기 공급분(46)은 도 6에 예시된 해수 배출 펌프(48)를 구동하여 작동 중에 MED 플랜트(40)로부터 해수를 펌핑하도록 구성될 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 압축된 공기 공급(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, 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 공급분(15)은 시동 펌프(36a)를 향하고, 제 1 압축 공기 서플라이(13)은 위에서 설명한 바와 같이 공급 펌프(29)를 향한다. 제 3 압축 공기 공급분(31)은 담수 펌프(38)를 구동하여 담수(19)를 MED 플랜트(40)로부터 전해조(49)까지 펌핑하도록 안내된다.
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 펌프일 수 있다. 공급 펌프(29)는 추가의 에너지 또는 전기 입력을 필요로 하지 않는다.
공급 펌프(29)를 에어 웰 펌프로서 구성하면 효율이 높고 가동 부품이 없으므로 유지보수의 요구가 낮다. 제 1 압축 공기 공급분(13)은 단순히 보어(18)(대양 보어 또는 내륙 보어일 수 있음)의 바닥으로부터 염수(16)을 밀어내고, 염수를 원하는 장소, 예를 들면, 탱크, 저수지 또는 담수화 플랜트(40)로 밀어낸다.
이러한 설계에서, 제 1 압축 공기 공급분(13)은 호주의 내륙, 특히 밀 벨트 및 건조 지대에서 일반적으로 발견되는 대규모 염지하수 시스템에 염지하수를 공급한다.
터빈(10, 10a)으로부터의 기계적 출력(12, 12a)은 다양한 기계 장치, 예를 들면, 펌프, 압축기, 추가의 터빈, 또는 발전기를 구동하는 데 사용될 수 있다. 제 2 출력(12a)의 경우, 압축기(14)의 흡인측 및 압력측의 둘 모두 담수화 플랜트(40) 및 염수(16) 공급에 필요한 진공을 공급하는 데 사용될 수 있으므로 압축기를 구동하는데 사용될 수 있는 발전기를 구동하는 압축기(14)를 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(18)를 100℃ 미만으로 끓이기 위해 진공을 필요로 하므로 공급 펌프(29)의 사용은 이상적인 조합을 제공한다.
염수(18)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℃ - 40℃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, 제 2 압축 공기 공급분(15)을 작동시켜 공기 진공 펌프(22), 시동 펌프(36a), 및 염수 보어(18) 내에 배치된 공급 펌프(29)를 구동시킬 수 있도록 에너지 저장 기능을 제공한다.
이 시스템(100)에서 1차 액체 회로(1) 내의 액체는 2 개의 터빈(10, 10a) 및 MED 플랜트(40)를 가동하기 위해 지열 웰(5)로부터 전달될 때 약 270℃ - 300℃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 튜빙 스트링에 동축으로 배치되어 단열된 케이싱(5b)에 의해 분리되어 있다. 입구 채널(5a)은 단열된 리턴 채널(5b)을 둘러싸는 것으로 도시되어 있으나, 채널(5a, 5b)은 입구 채널(5a)이 단열된 리턴 채널(5b)의 중심을 통해 연장하도록 반전될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 웰(5)은 파이프 입구(112), 파이프 출구(114), 입구 채널(5a)(입구 채널) 및 이들 내부에 동심으로 배치된 단열된 리턴 채널(5b)(출구 채널)을 포함한다.
웰(5)의 애뉼러스를 따라 하방으로 연장하는 입구 채널(5a)은 파이프 입구(112)로부터 액체를 받아들이며, 외부 케이싱(120)과 단열된 내부 케이싱(122) 사이에 획정되어 있다. 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 제공하여 열 사이펀 효과에 의해 웰 헤드(7)의 파이프 출구(114)로 밀려나게 한다.
추가의 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 가열된 액체(4)는 투과성 지질층에서 외부 케이싱(120)의 일부(124)를 통해 투과할 수 있게 된다. 일부의 실시형태에서, 외부 케이싱(120)의 투과성 부분(124)은 7,500 m 내지 12,000 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 7,500m-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(3) 내로 유입되는 것을 방지한다.
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, 단열된 내부 케이싱(122)의 단부(128)는 가열된 유체가 단열된 내부 케이싱(122) 내로 유입될 때 입구 채널(5a)로부터의 가열된 유체 흐름을 받아들이는 흡기구 스크린(128)을 포함한다. 열 사이펀 효과는 가열된 액체(4)를 단열된 내부 케이싱(122)의 단열된 리턴 채널(5b)의 내측으로 밀어올린다. 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(36)의 파이프 입구(112)는 입구 채널(5a)을 통해 웰(5)의 바닥을 향해 흐르는 50℃ 내지 70℃의 온도의 5 내지 30 kg/초(예를 들면, 질량 유량)의 흐름을 받아들인다. 입구 채널(5a)을 통한 주입 속도는 0.02 내지 1 m/초일 수 있다. 액체(3)는 지질의 하층을 통과할 때 가열된다. 입구 채널(5a)을 따라 내려가는 액체의 흐름이 느릴수록 더 많은 열이 지질로부터 주입된 액체(3) 내로 전달된다.
일부의 실시형태에서, 주위 지질로부터의 액체는 외부 케이싱(120)의 투과성 부분(124)을 통해 입구 채널(5a)로 들어간다. 액체는 절연된 내부 케이싱(122)의 흡기구 스크린(128)에 들어가서 단열된 리턴 채널(5b) 내로 들어감에 따라 틈새(126) 내로 들어가서 팽창할 수 있다.
가열된 액체(4)의 온도는, 액체가 틈새(126)를 통해 단열된 리턴 채널(5b)을 향해 이동할 때, 150℃ 내지 300℃일 수 있다. 가열된 액체(4)는 단열된 내부 케이싱(122)을 통해 지표까지 압출됨에 따라 그 안에 포함된 열의 일부를 잃을 수 있다.
호주의 대부분의 지역에서, 액체의 온도는 액체(3)가 틈새(126)를 통해 제 2 채널(5b)을 향해 이동함에 따라 6,000 m 깊이의 웰 내에서 약 300℃가 될 수 있다.
웰(5)의 바닥(126)과 파이프 출구(114) 사이에서 약 10℃가 손실되지만 이열은 입구 채널(5a)로 전달되어 입구 채널(5a)의 가열 속도를 증가시키므로 완전히 손실되는 것은 아니다. 웰 헤드(7)의 파이프 출구(114)를 나가는 가열된 액체(4)는 지열 웰(5)의 깊이에 따라 단열된 리턴 채널(5b)로부터 50 내지 200 BAR의 압력 및 290℃ 내지 140℃의 온도로 1 내지 30 kg/초의 질량 유량을 갖는다.
보텀 홀 지반 또는 지질 온도가 400℃인 웰(5)은 20Kg/초의 웰 헤드(7)로부터의 유량 및 280℃의 온도로 5MW-30MW, 예를 들면,19.78 MWth (열 메가와트)의 열 에너지 출력을 가질 수 있고, 웰 주입 온도는 50℃이다.
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 2원 또는 2차 회로를 구비하는 지열 수소 제조 시스템(101)을 예시하는 도 4 및 도 5에 도시되어 있으며, 이것은 액체(3)를 지열 웰(5) 내로 순환시키고 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리는 1차 액체 회로(1)를 포함하고; 가열된 액체(4)는 열교환기(30)로 공급되어 담수화 플랜트(40)를 통과하는 2차 회로(2)의 작동 매체(33)를 가열하고, 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(34)는 제 1 터빈(10) 및 제 2 터빈(10a)을 구동하여 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하고; 제 1 기계적 출력(12)은 물의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 공기 압축기(14)를 구동하여 제 1(13), 제 2(15) 및 제 3 압축 공기 공급분(31) 중 적어도 하나를 제공하고, 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 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분(31)은 담수 펌프(38)를 구동하여 담수(19)를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)로 구동한다.
2원 회로(101)를 구비하는 지열 수소 제조 시스템은 전기의 공급을 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 수소 제조 시스템(101)에 의해, 제 1 기계적 출력(12)에 의해 발전기(47)를 구동하고 제 2 기계적 출력(12a)에 의해 압축기(14)를 구동하는 하는 것이 가능하며, 두 출력 모두 ORC 또는 2차 회로(2)의 기화되거나 가열된 작동 매체(34)에 의해 구동되는 터빈(10, 10a)에 의해 생성된다. 2차 회로(2)는 지열에 의해 가열된 웰(5) 또는 웰들(5)에서 유래된 열 에너지를 사용하여 1차 액체 회로(1)에 의해 가열된다.
2원 회로(101)를 갖는 지열 수소 제조 시스템은 압축기(14)를 사용하여 담수화 플랜트(40)에 진공을 생성하고 복수의 압축 공기 라인(13, 15, 31, 32, 46)에 공급하고, 여기서 제 1 압축 공기 공급분(13)은 에어 웰 펌프 형태의 공급 펌프(29)를 구동하여 대양 또는 염수 보어(18)로부터 해수 또는 염수를 압출하여 담수화 플랜트(40)에 연속적으로 공급한다.
공급 펌프(29)는 본질적으로 제 1 압축 공기 공급분(13)을 염수 보어(18)로 안내하는 파이프로서 구성된 에어펌프이다. 압축 공기는 보어(18)의 바닥에서 방출되고, 그러면 이 공기는 보어(18) 내의 염수를 지표면에 있는 보어 헤드(17)까지 밀어낸다. 공급 펌프(29)를 녹슬게하거나 쇠퇴시키는 가동 부품이 없으므로 매우 효율적이고 유지보수가 적은 옵션이 된다. 공급 펌프(29)의 동력은 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 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, 31, 32, 46)은 점선으로 도시되어 있다. 또한, 각각의 압축 공기 공급 라인은 원내의 숫자로 표시되어 있다. 터빈(10, 10a)과 공기 압축기(14) 사이 및 터빈(10, 10a)과 발전기(47) 사이에는 기계적 출력(12, 12a), 예를 들면, 이들 사이의 회전 운동을 전달하는 샤프트 또는 액슬을 나타내는 검은색 실선이 도시되어 있다.
ORC(Organic Rankin Cycle)는, 위의 시스템(100)에서 설명한 바와 같이, 지질 온도가 직접 수증기 또는 직접 스크류 팽창기 시스템을 위해 충분히 고온이 아닌 경우에 기계적 출력(12, 12a)을 제공하기 위해 본 발명의 제 1 양태(100)에 통합되었다. 다음에 기계적 출력(12,12a)은 본 발명의 제 1 양태와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 발전기(47) 및 압축기(14)에 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, 10a)은 1차 액체 회로(1)에 의해 구동되지 않는다. 지열 수소 제조 시스템(100)과 대조적으로, 2원 회로(101)를 갖는 지열 수소 제조 시스템은 열교환기(30)를 사용하여 지열을 1차 액체 회로(1)로부터 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 압축 공기 공급분(13), 제 2 공급 라인(15), 및 제 3 압축 공기 공급분(31)에 직접적으로(또는 저장 탱크(37)를 경유하여) 압축 공기를 출력한다. 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, 2차 회로(2) 내의 회로 펌프(36b)를 구동하는 제 4 압축 공기 공급분(32) 및 공기 압축기(14)로부터 공급되어 해수 펌프(23)를 구동하는 제 5 압축 공기 공급분(46)이 더 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 공급분(32)을 경유하여 회로 펌프(36b)로 유도되는 압축 공기에 의해 구동된다.
제 1 압축 공기 공급분(13)의 압축 공기는 해수 또는 염수 보어(18) 내로 공기를 펌핑하여 염수 보어(18)(약 20m 내지 50m 깊이)로부터 염수를 펌핑하는 공급 펌프(29)를 구동하고, 이 염수는 5 개의 개별적인 출력으로서 담수 출구(20) 및 해수 출구(21)에 공급하는 담수화 플랜트(40)에 공급된다. 시동 펌프(36a) 또는 유사한 시동 시스템은 시스템(101)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 제 2 회로(2)의 주위로 계속 흐르게 함으로써 열교환기(30)를 통해 차가운 작동 유체(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 10a)에 공급하여 기계적 출력(12, 12a)을 생성한다.
저장 탱크(37)로부터의 압축 공기는 시스템(100)의 초기화시에 시동 펌프(36a) 및 회로 펌프(36b)로 유도될 수 있다. 펌프(36a, 36b)는 1차 회로(1) 및 2차 회로(2)의 순환을 개시하고, 펌프(36a)를 사용하여 주위 표면 온도로 액체(3)를 지열 웰 애뉼러스(5a) 내로 펌핑하고, 냉각된 작동 매체(33)를 담수화 플랜트(40)로부터 흡인하여 이것을 열교환기(30)를 향해 펌핑하여 이것을 재가열시킨다. 펌프(36a, 36b)는 제 2 압축 공기 공급분(15) 및 제 4 압축 공기 공급분(32)에 의해 구동되는 공기 펌프이다.
저장 탱크(37)(도 4 및 도 5에 미도시)는 압축 공기 공급 라인(13,15, 31, 32, 46) 중 적어도 하나 또는 각각에 통합되어 시스템을 시동시키기거나 펌프(36a,46b,38,48)를 시동시키기 위한 압축 공기를 저장할 수 있다. 저장 탱크(37)의 하나의 가능한 구성이 도 1에 도시되어 있다.
2차 회로(2)는 작동 매체(33)를 열교환기(30)를 통과시켜 가열하고, 이는 작동 매체(33)를 기화된 가열된 작동 매체(34)로 전환시킨다. 다음에 가열된 작동 매체(34)는 팽창기 또는 터빈(10,10a)에 공급되어 발전기(47) 및 압축기(14)를 구동하기 위한 기계적 출력(12, 12a)을 생성한다. 열교환기(30)가 추가의 열 에너지를 제공하여 가열된 작동 매체(34)를 증기로 변환시켜 터빈(10, 10a)을 구동하므로 1차 액체 회로(1) 내에는 플래시 분리기가 필요하지 않다.
가열된 작동 매체(34)는 약 95℃에서 이차 터빈(10a)을 나가며, 이 때 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)로 향한다. 2차 회로(2)의 작동 매체가 제 1 체임버(42)를 통과함에 따라 이것은 열을 손실하여 50℃ 내지 60℃의 온도까지 떨어지며, 이 때 작동 매체(33)는 회로 펌프(36b)를 향해 복귀된다. 펌프(36b)를 나오면 2차 회로(2)의 작동 매체(33)는 열교환기(30)로 복귀되어 재가열된 후에 전술한 바와 같이 2차 회로(2)로 반복된다.
도 5에 예시된 바와 같이, 공기 압축기(14)는 도 1과 도 2 및 지열 수소 제조 시스템(100)과 관련하여 전술한 바와 같이 작동하는 4 개의 압축 공기 공급 라인(13, 15, 31, 32, 46)에 공급할 수 있다. 본 발명의 대안적인 실시형태에서, 압축기(14)로부터 6 개 이상의 공기 공급 라인을 공급하여 추가의 기계/펌프를 구동할 수 있다.
도 6은 플래시 분리기(25, 25a), 및 각각의 터빈(10, 10a)의 플래싱된 증기 및 터빈(10, 10a)의 배기 생성물(9, 9a)을 재충전하는 데 사용되는 잔류 가열된 액체(8, 8a)의 경로를 보다 명확하게 설명한 지열 수소 제조 시스템(100)의 도식도를 제공한다.
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 가열된 액체(4)에는 담수화 플랜트(40)를 구동하기 위한 충분한 열 에너지가 있으며, 동시에 열 에너지를 끌어내어 이것을 기계적 에너지로 변환하여 시스템(100)의 발전기(47) 및 압축기(14)를 구동한다.
담수 펌프(38)는 플랜트(40)의 담수 출구(20)로부터 담수(19)를 인출하고, 이것을 전해조(49)로 펌핑하여 그 안의 전해질 용액(55)을 지속적으로 보충한다(도 8 및 도 9에 더 상세히 예시됨).
담수 펌프(38)는 대안적으로 (i) 보조 터빈의 기계적 출력에 의해 직접 구동되거나; (ii) 발전기(47)에 의해 생성된 전기에 의해 구동되거나; (iii) 2차 터빈(10a) 및 직접 구동 샤프트(12a)에 의해 구동되는 압축기(14)에 의해 생성된 압축 공기에 의해 구동될 수 있다.
지열 수소 제조 시스템(100)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.
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 발전기(47)에 직접 연결된다. 터빈(10)의 배기(9)는 잔류 가열된 액체(8)에 의해 재충전된 후에 2차 플래시 분리기(25a)로 안내되어 제 2 터빈(10a)을 추진시키고, 그 결과로 압축기(14)를 구동한다.
다음에 압축기(14)는 전술한 바와 같이 공급 펌프(29)를 구동하기 위한 제 1 압축 공기 공급분(13); 필요한 경우에 1차 액체 회로(1)를 시동시키는 시동 펌프(36a)를 구동하기 위한 제 2 압축 공기 공급분(15); 전해조(49)에 공급하는 담수 펌프(38)를 구동하기 위한 제 3 압축 공기 공급분(31); 2차 회로(2)의 회로 펌프(36b)를 구동하기 위한 제 4 압축 공기 공급분(32); 및 담수화 플랜트(40)의 해수 출구(21)로부터 해수(담수화 프로세스의 부산물)를 펌핑하는 해수 배출 펌프(48)를 구동하기 위한 제 5 압축 공기 공급분(46)의 복수의 압축 공기 공급 라인에 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.
주위 공기(28)는 공기 진공 펌프(22)(도 6에 예시되지 않음)를 통해 담수화플랜트(40)의 체임버로 진공 라인(24)을 제공하기 위해 시스템(100, 101)과 관련하여 전술한 바와 같은 압축기(14) 내로 유입된다.
특정 지열 수소 제조 시스템(100)에 필요한 웰(5)의 깊이는 그 지역의 지질에 따라 달라진다. 웰 깊이는 충분한 온도로 담수화 플랜트(40)에 도입되기 전에 두 터빈(10, 10a)에 공급하는 데 필요한 열 에너지를 제공하도록 조정된다.
이제 도 8을 참조하면, 발전기(47)의 전기적 출력에 의해 구동되는 담수화 플랜트(40) 및 수소 전해조로서 구성된 전해조(49)를 포함하는 지열 수소 제조 시스템(100)이 예시되어 있다.
발전기(47)로부터의 전력은 도관(56) 또는 케이블을 통해 전해조의 캐소드(52) 및 애노드(53)로 전달되어 전기 회로를 구성한다. 이 회로는 전해조(49)의 제 1 측(애노드 측)으로부터 전해조(49)의 제 2 측(캐소드 측)으로 전자를 이동시킨다.
전해조(49)의 2 개의 측은 격막(54)에 의해 분리되어 있고, 이것은 애노드 및 캐소드와 함께 전해질 용액(55) 내에 침지되어 전해조를(또는 전기분해 셀)을 완성한다.
전해조(49)의 회로에 통전되면, 전해질 용액(55)(여기서는 물)은 애노드(53)의 주위에서 반응하여 양전하를 띤 수소 이온(양성자), 전자(음전하를 띰) 및 산소를 생성한다. 산소는 도 10에 예시된 산소 출구(58)에서 전해조(49)로부터 유출될 수 있다.
폴리머 전해질 막 전해조(PEM 전해조)에서, 셀의 양측을 분리하는 격막(54)은 고체의 플라스틱 재료이다. 애노드(53)측에서 물이 분리되면, 양성자가 격막을 횡단하여 캐소드(52)를 향해 이동한다. 동시에, 전자는 전기 회로 내에서 애노드로부터 캐소드로 흐르고, 양성자는 캐소드(52)에서 전자와 결합하여 수소를 생성한다. 수소는 전해조(49)로부터 수소 라인(50) 내로 흡인되어 저장용 탱크(51)로 안내된다. 탱크(51)는 고정식이거나 이동식일 수 있다.
전해조(49)의 양측에서의 반응은 다음과 같이 쓸 수 있다:
애노드 반응:
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
캐소드 반응:
4H+ + 4e- → 2H2
본 명세서에 설명된 시스템(100, 101)로부터 다른 유형의 전해조(49)를 구동할 수도 있다고 생각된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 전해질 용액(55)은 전해조(49) 내에서의 수소 생성 반응을 유지하기 위해 담수화 플랜트(40)로부터 담수(19)가 상시 보충된다.
발전기(47)는, 바람직하게는, 직류 전류를 생성하여 이것을 전해조(49)의 캐소드(52)(음단자) 및/또는 애노드(53)(양단자)에 직접 공급한다.
도 8과 유사하게, 도 9는 전술한 바와 같이 전해조(49)에 대한 추가의 세부사항을 포함한 지열 수소 제조 시스템(100)을 예시하고 있다. 시스템(101)과 대조적으로, 시스템(102)는 2차 회로(2)에 의해 제 1 터빈을 구동하고, 2차 터빈(10a)은 1차 액체 회로(1)에 의해 구동된다.
이 지열 수소 제조 시스템(102)은 1차 회로 및 2차 회로를 포함하며, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 가열된 액체는 열교환기에 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열한 후에 담수화 플랜트를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 공기 압축기를 구동하여 제 1, 제 2 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고, 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 담수화 플랜트에 공급하고, 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 1차 액체 회로를 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 담수화 플랜트로부터 전해조로 공급한다.
도 9에서, 2차 터빈(10a)은 압축기(14)를 구동하기 위한 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하지만 제 2 터빈은 2차 회로(2)가 아닌 1차 액체 회로(1)에 의해 구동되도록 위치가 변경되어 있다. 도 9의 시스템(102)에서, 제 1 터빈(10)은 2차 회로(2)에 의해 구동되는 유일한 터빈이므로 2차 회로에 부여되는 모든 지열 에너지는 발전기(47)를 통해 전기를 생성하도록 안내된다.
1차 액체 회로(1)가 열교환기(30)를 통과한 후에도 1차 액체 회로(1) 내에는 제 2 기계적 출력(12a)을 도출하는 제 2 터빈(10a)을 구동하기 위한 충분한 지열 에너지가 있다. 이 제 2 기계적 출력(12a)은 직간접적으로 압축기(14)를 구동하여 시스템(101) 내의 복수의 공기 공급 라인(13, 15, 31)을 충전하도록 구성된다. 도 9에서, 압축기(14)는 제 2 터빈(10a)으로부터의 구동 샤프트에 의해 직접 구동된다.
도 9는 한 쌍의 터빈(10, 10a)이 서로 다른 회로에 의해 구동되는 수소 제조 시스템(102)을 예시한다. 도 9는 약 8,000m -10,000m 깊이의 웰(5)을 사용하여 계산한 시스템(102)의 서로 다른 부분에 대한 몇가지 온도 범위를 추가로 제공하고 있다. 이들 온도는 계산에 기반된 것이며 약간의 불일치가 있을 수 있다. 웰(5)의 바닥 온도는 약 350℃-500℃이고, 1차 액체 회로(1) 내의 물 온도는 약 200℃-300℃이다.
작동 매체가 터빈(10)을 나갈 때, 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)로 유입되기 전의 온도는 85℃- 95℃이다. 담수화 플랜트의 제 1 체임버(42)의 최적 매체 온도는 72℃이다. 작동 매체가 담수화 플랜트(40)를 나갈 때 온도는 약 50℃-60℃까지 내려간다.
도 9에 도시된 시스템(102)에서, 저가의 지열 전기 및 제로에미션 증류수를 수소 전해조(49)에 공급하면 배출가스 없이 녹색 수소를 제조할 수 있다.
이 실시형태의 시스템(102)에서, 저온 저압 터빈(10)은 물리적으로 1차 액체 회로(1) 내에 배치되어 이것으로 압축기(14)를 구동한다. 그러나, 고온 고압의 제 1 터빈(10)은 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(34)로부터의 증기(또는 수증기)에 의해 구동된다.
2차 회로(2)를 갖는 시스템을 사용하는 경우, 저온/저압의 2차 터빈(10a)은 2차 회로(2)(도 4의 시스템(101)에 도시됨) 또는 1차 액체 회로(1)(도 9의 시스템(102)에 도시됨)에 의해 구동될 수 있다.
도 9에 개략적으로 도시된 플랜은 전해조(49), 및 담수화 플랜트(40)로부터 증류되고 인출되는 담수(19)를 사용하여 다량의 수소를 제조한다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 제조 및 압축 시스템(103)의 개략도이다.
이 시스템(103)에서 3차 터빈(10b)이 1차 액체 회로(1)에 의해 구동되어 압축기(14)를 구동시키는 3차 또는 제 3 기계적 출력(12b)을 생성한다. 압축기(57)는 수소 라인(50)과 유체 연통하여 저장용 탱크(51)로 보내지기 전에 수소를 압축시킨다.
제 3 기계적 출력(12b)이 압축기(57)를 구동하여 전해조(49)에 의해 생성되는 수소를 압축하는 동안, 3차 터빈(10b)으로부터의 1차 액체 배기(9b)는 약 95℃의 돈도에서 담수화 플랜트(40)에 공급되고, 약 60℃ - 70℃에서 담수화 플랜트(40)의 최종 체임버(44)를 나간 후에 지열 웰(5) 내로 재주입된다.
제 1 터빈(10)은 제 1 분리기(25)로부터 플래싱된 증기를 받아들이고, 이 증기(6)는 가장 뜨겁고, 발전기(47)를 구동하는 데 가장 큰 에너지를 제공한다.
시스템(100-102)과 마찬가지로, 터빈(10)으로부터의 배기(9)는 시스템(103)의 1차 액체 회로(1) 내로 재결합되고, 배기(9)는 제 1 분리기(25)로부터의 포화된 수증기 또는 잔류 가열된 액체(8)에 의해 재가열된 후에 2차 분리기(25a)에 공급된다.
2차 분리기(25a)는 제 2 터빈(10a)으로부터의 제 2 기계적 출력(12a)을 통해 압축기(14)를 구동하는 데 사용되는 액체(매체 수증기)(6a)를 플래싱한다.
2차 터빈(10a)의 배기(9a)는 2차 분리기(25a)로부터의 가열된 잔류 출력(8a)에 의해 재활성화된 후에 제 3 분리기(25b)에 입력된다. 가열된 액체(4)는 플래싱되어 낮은 수증기 출력(6a)을 생성하고, 제 3 기계적 출력(12b)에 의해 수소 압축기(57)를 구동하는 3차 터빈(10b)을 구동하는 데 사용된다.
3차 터빈(10b)으로부터의 배기(9b)는 제 3 분리기(25b)로부터의 잔류 가열된 액체(8b)와 혼합된 후에 제 4 분리기(25c)에 공급되고, 이것의 출력(6c)은 약 95℃ 에서 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)에 공급된다.
제 4 분리기(25c)로부터의 잔류 출력(8c)은 1차 액체 회로(1)로 복귀되어 담수화 플랜트(40)로부터의 잔류 출력(40a)과 결합되어 웰 헤드(7)로 복귀되어 재가열된다. 1차 액체 회로(1)는 보충수 공급 라인(43)으로부터 담수(19)를 받아들일 수도 있다.
이론적 계산에 따르면, 1차 액체 회로(1)의 냉각된 액체(3)는 담수화 플랜트(40)를 나가서 약 55℃ 내지 85℃의 온도로, 또는 수증기가 담수화 플랜트에 공급되는 경우에는 더 고온으로 웰(5)로 복귀한다.
1차 액체 회로(1)는 필요 시에 담수화 플랜트(40)의 담수 출구(20)로부터 보충될 수 있다. 보충수 공급분은 담수화 플랜트(40)를 나가서 보충수 공급 라인(43) 내로 유입되어 1차 액체 회로(1)에 저온측으로부터 통합된다. 공급 라인(43)으로부터 새로 추가된 담수는 웰 헤드(7)로 직행하여 재가열된 후에 1차 액체 회로(1)를 순환한다.
추가의 고려된 실시형태에서, 본 발명은 수소를 제조 및 압축하기 위한 도 11에 예시된 1차 액체 회로(1) 및 2차 회로(2)를 포함하는 지열 수소 제조 및 압축 시스템(104)을 제공한다.
지열 수소 제조 및 압축 시스템(104)은 1차 액체 회로(1) 및 2차 회로(2)를 포함하고, 1차 액체 회로(1)는 액체(3)를 지열 웰(5) 내로 순환시키고, 보충수 공급 라인(43)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리고, 가열된 액체(4)는 1차 액체 회로(1) 내의 담수화 플랜트(40)를 통과하고, 1차 회로(1)의 가열된 액체(4)는 열교환기(30)를 통과하여 2차 회로의 작동 매체(33)를 가열하고, 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(34)는 제 1 터빈(10)을 구동하여 제 1 기계적 출력(12)을 생성하고, 1차 회로의 가열된 액체(4)는 제 2 터빈(10a)을 구동하여 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하고; 제 1 기계적 출력(12)은 물의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 제 1 압축기(14) 및 제 2 압축기(57)를 구동하고, 제 1 압축기(14)는 공기를 압축하도록 구성되고, 제 2 압축기(57)는 수소를 압축하도록 구성되고, 제 1 공기 압축기(14)는 제 1(13), 제 2(15) 및 제 3(31) 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고, 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 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분(31)은 를 구동하여 담수(19)를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)에 공급한다.
저압의 2차 터빈(10a)은 압축기(14)에 의해 일련의 공기 펌프(29, 36a, 38), 및 1차 액체 회로(1) 내의 지열을 이용하여 수소를 압축하기 위한 압축기(57)를 구동하도록 구성된다. 도 11의 2원 시스템의 구성에서, 2차 회로(2)로부터는 전기만이 생성된다. 추가의 터빈 및 압축기를 구동하기 위한 에너지의 나머지는, 열교환기(30)가 1차 액체 회로(1)로부터 충분한 열 에너지를 인출하여 전기 생성을 위해 2차 회로(2)를 가열한 후에 1차 액체 회로(1)로부터 나온다. 담수화 플랜트(40)가 2차 회로(2)로부터 공급받는 도 9에 예시된 시스템(102)과 대조적으로, 이 시스템(104)에서는 담수화 플랜트(40)가 1차 액체 회로(1)로부터 공급받는다.
도 11은 담수화 플랜트(40)가 시스템(102)의 제 2 또는 2원 회로(2)로부터의 열 에너지로 충전된다는 점에서 도 9의 것과 대비된다. 대조적으로, 도 11의 담수화 플랜트(40)는 1차 액체 회로(1)로부터의 지열 에너지에 의해 충전된다. 이 시스템(104)은 웰 헤드(7)의 온도가 250℃ 미만이고, 1차 액체 회로(1)가 제 1 기계적 출력(12)의 발전기(47)를 구동하기 위한 제 1 터빈(10)을 구동하기에 충분한 온도에 도달하지 않은 경우에 사용하도록 설계되었다.
도 11은 2차 터빈(10a)에 의해 직접 구동되는 복수의 압축기(14, 57)를 예시하며, 압축기(14)는 제 2 기계적 출력(12a)에 의해 구동되고, 압축기(57)는 제 3 기계적 출력(12b)에 의해 구동된다. 도 11의 개략도에서는 2 개의 압축기(14, 57)가 2차 터빈(10a)의 대향하는 측 상에서 샤프트 구동되어 (기계적 출력(12a, 12b)을 전달하는) 단일 샤프트를 효과적으로 공유하는 것으로 도시되어 있으나, 당업자는 한 쌍(또는 그 이상)의 압축기가 2차 터빈(10a)의 단일측의 한 쌍의 기계적 출력(12a, 12b)에 의해 구동될 수 있는 다른 물리적 구성이 있다는 것을 이해할 것이다.
제 1 압축기(14)는 공기를 압축하여 시스템(104)의 펌프(29, 36a, 38)를 구동하는 복수의 압축 공기 공급분(13, 15, 31)을 공급하도록 구성된다. 이 시스템은 또한 추가의 공기 구동 펌프, 예를 들면, 2차 회로 내에서 작동 유체의 순환을 지원하는 회로 펌프(36b); 염수(16)를 증류하는 동안에 담수화 플랜트(40)로부터 해수를 펌핑하는 해수 배출 펌프(48); 수소 전해조(49)로부터 폐수를 펌핑하는 폐수 펌프(61)를 포함한다. 전술한 각 펌프는 공기 압축기(14)로부터 공급되는 공기 공급 라인에 의해 구동되는 공기 구동 펌프로서 구현될 수 있다.
제 2 압축기(57)는 수소를 압축하도록 구성되며, 전해조(49)의 캐소드(52)로부터 인출되는 수소를 수집하는 수소 라인(50)과 유체 연통 상태로 배치된다. 수집 및 압축된 "녹색" 수소는 판매나 사용을 위해 수송될 수 있다.
이 시스템(104)은 또한 2차 회로(2)를 위한 담수 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 냉각 시스템은 담수 응축기(59)의 형태로 제공된다. 담수 응축기(59)는 2차 회로(2)로부터 열 에너지를 인출하여 2차 회로(2)를 냉각하고, 담수화 플랜트(40)로부터 증류되는 담수(19)를 가열한 후에 고온의 담수 파이프(59a)를 통해 전해조(49)로 공급된다.
담수 응축기(59)는 2 가지 장점을 제공한다: (1) 수소 제조 효율을 높이기 위해 증류수를 전해조(49)로 공급되기 전에 가열하고, (2) 2차 회로(2)를 위한 담수 냉각기(유지보수가 낮음) 및 응축기를 제공한다. MED 플랜트(40)로부터 이 담수 응축기(59)를 통한 증류수 또는 담수(19)의 흐름은 담수화 플랜트 이전의 1차 회로 내의 열 에너지에 의해 달성된다.
2차 염수 또는 해수 냉각기/응축기(60)도 시스템(104) 내에 통합될 수 있다. 이 염수 응축기(60)는 2차 회로(2)에서 작동 매체의 추가의 냉각 및 응축을 위해 활성화될 수 있고, 더 낮은 수준의 전기 제조는 더 낮은 수준의 냉각/응축을 필요로 하므로 더 낮은 수준의 전기 생성이 필요한 경우에는 비활성화될 수 있다.
염수 응축기(60)는 2차 회로(2)로부터 열 에너지를 인출함으로써 2차 회로(2)를 냉각시키고, 염수(16)를 가열한 후에 증류를 위해 담수화 플랜트(40)의 제 1 체임버(42)에 공급된다. 염수 또는 해수의 흐름도 열 에너지에 의해 달성된다.
이 시스템(104)에서, 하나의 스크류 팽창기 또는 2차 터빈(10a)만으로 하나의 샤프트(12a)에 의해 공기 압축기(14) 및 수소 압축기(57)을 둘 모두를 구동한다. 압축기(14, 57)는 2차 터빈(10a)의 양측에 있을 수 있고, 또는 둘 모두가 제 2 압축기(57)를 구동하기 위해 제 1 압축기(14)를 통과하는 구동 샤프트(12a)를 구비하여 일측에 있을 수 있다.
시스템(104)에서 전해조(49)는 담수화 플랜트(40)에 의해 생성되는 담수(19)의 일부만을 사용할 것으로 예상되며, 따라서 판매를 위해 생성된 추가의 담수가 있을 수 있다.
또한 발전기(47)로부터 추가의 전기가 생성될 수 있고, 이는 개별 사용자에게 판매되거나 전력망으로 되돌릴 수 있다. 일부의 실시형태에서, 발전기(47)에 의해 생성된 전기는 공급 펌프(29); 시동 펌프(36a); 회로 펌프(36b); 담수 펌프(38); 및 해수 펌프(48) 중 하나 이상에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
시스템(104)은 대양으로부터 해수 또는 염수(16)를 끌어오는 것으로 도시되어 있으나, 필요한 염수는 본 발명의 다른 실시형태와 관련하여 설명한 바와 같이 염수 보어(18), 또는 복수의 염수 보어(18)로부터 끌어올 수도 있다. 마찬가지로, 도 11에 예시된 지열 웰(5)은 각각 시스템(100, 101, 102, 103, 104)을 구동시키기 위해 필요한 지열 에너지의 일부를 생성하는 복수의 지열 웰(5)로 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 시스템(102)이 전해조(49)에 의해 생성되는 수소를 압축하기 위한 제 2 압축기(57)를 포함하는 본 발명의 추가의 하이브리드 실시형태가 고려된다. 이 실시형태는 도시되어 있지 않고, 도 11의 시스템(104)과 관련하여 예시 및 설명한 바와 같이 담수화 플랜트(40)가 1차 액체 회로(1)가 아닌 2차 회로(2) 내의 열 에너지에 의해 공급되는 점에서 도 11의 이중 압축기(14, 57)를 도 9의 2차 회로(2)와 결합한 것이다.
이 하이브리드 실시형태의 지열 수소 제조 및 압축 시스템은 1차 액체 회로(1) 및 2차 회로(2)를 포함하고, 1차 액체 회로(1)는 액체를 지열 웰(5) 내로 순환시키고, 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체를 되돌리고, 1차 회로(1)의 가열된 액체는 열교환기(30)로 공급되어 2차 회로(2)의 작동 매체(33)를 가열하고, 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트(40)를 통과하고, 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(43)는 제 1 터빈(10)을 구동하여 제 1 기계적 출력(12)을 생성하고, 1차 액체 회로(1)의 가열된 액체(4)는 2차 터빈(10a)을 구동하여 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하고; 제 1 기계적 출력(12)은 물의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 제 1 압축기(14) 및 제 2 압축기(57)를 구동하고, 제 1 압축기(14)는 공기를 압축하도록 구성되고, 제 2 압축기(57)는 수소를 압축하도록 구성되고, 제 1 압축기(14)는 제 1(13), 제 2(15) 및 제 3(31) 압축 공기 공급분을 공급하고, 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 시동시키고, 제 3 압축 공기 공급분(31)은 담수 펌프를 구동하여 담수(19)를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)에 공급한다.
제 5 양태에서 본 발명은 지열 에너지에 의해 동력을 공급받고 압축 공기에 의해 구동되는 수소 제조용 전해조(49)에 담수(19)를 생성 및 공급하는 방법을 제공하며, 이 방법은 액체를 지열 웰(5) 내에 공급하고 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)을 인출하여 1차 액체 회로(1)를 형성하는 단계 - 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)를 통과함 - (단계 400); 1차 액체 회로(1)로부터 가열된 액체(4)를 제 1 터빈(10) 및 제 2 터빈(10a)으로 전달하여 각각 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하는 단계(단계 401); 제 1 기계적 출력(12)을 발전기(47)로 안내하여 전해조(47)에 전력을 공급하는 단계(단계 402); 및 제 2 기계적 출력(12a)을 공기 압축기(14)로 안내하여 제 1(13), 제 2(15) 및 제 3 압축된(31) 공기 공급분을 생성하는 단계(단계 403)를 포함하며, 제 1 압축 공기 공급분(13)은 염수 보어(18) 내에 설치된 공급 펌프(29)를 구동하여 압축 공기를 지표면 아래의 염수 보어 내로 구동하고, 염수(16)를 염수 보어(18)로부터 담수화 플랜트(40)로 구동하도록 구성되고(단계 404), 제 2 압축 공기 공급분(15)은 시동 펌프(36a)를 구동하여 1차 액체 회로(1)를 시동시키고(단계 405), 제 3 압축 공기 공급분(31)은 담수 펌프(38)를 구동하여 담수(19)를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)로 구동하여 녹색 수소 및 산소로 분해시킨다(단계 406).
지열 수소 제조 시스템(100)은 전기를 필요로 하지 않고, 1차 액체 회로(1)를 유지하고 염수(16)를 담수화 플랜트(40)에 공급하기 위한 에너지 요건을 위해 열 사이펀 효과를 사용한다. 따라서, 이 시스템에 의해 생성된 수소는 "녹색 수소"로 부를 수 있다.
지열 에너지에 의해 동력을 공급받고 압축 공기에 의해 구동되는 수소 제조용 전해조(49)에 담수(19)를 생성 및 공급하는 이 방법은 도 12에 관련하여 더 설명한다.
일부의 실시형태에서, 가열된 액체를 터빈(10, 10a)에 공급하는 단계 401은 1차 액체 회로(1)에 의해 직접 구동된다. 대안적으로, 1차 액체 회로(1)는 열 에너지를 열교환기(30)를 경유하여 2차 회로(2)로 전달하도록 구성될 수 있고, 여기서 터빈(10.10a)은 2차 회로(2)에 의해 구동된다. 대안적으로, 제 1 터빈 및 제 2 터빈(10,10a)은 별개의 회로(1, 2)에 의해 구동될 수 있다. 전기의 생성은 압축기를 구동하는 데 필요한 것보다 많은 지열 에너지를 필요로 하므로, 발전기(47)는 바람직하게는 단일 회로 시스템(100) 내의 1차 액체 회로(1)에 의해 구동되고 또한 2원 회로 시스템(101, 102, 104) 내의 2차 회로(2)에 의해 구동된다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 시동 펌프(36a)를 통해 1차 액체 회로(1)의 주위로 액체(3)를 펌핑하여 1차 액체 회로(1) 내의 액체의 순환을 개시하는 단계를 더 포함한다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 2차 회로(2) 주위로 작동 매체(33)를 펌핑하여 담수화 플랜트(40)로부터 냉각된 작동 매체(33)를 인출한 후에 열교환기(30)로 다시 전달항여 가열시키는 단계를 더 포함한다.
일부의 실시형태에서, 이 방법은 2차 회로(2) 주위로 작동 매체(33)를 펌핑하는 한편 담수화 플랜트(40)로부터 1차 액체 회로(1) 내의 냉각된 액체(3)를 인출한 후에 지열 웰(5)로 다시 전달하여 재가열시키는 단계를 더 포함한다.
따라서 2차 터빈(10a)은 1차 액체 회로(1) 또는 2차 회로(2)의 가열된 액체(4) 또는 가열된 작동 매체(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 하나의는 적어도 하나의 압축기(14)를 구동하는 데 사용될 수 있다. 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 적어도 하나는 발전기(47)를 구동하는 데 사용될 수 있다.
3차 터빈(10b)이 1차 액체 회로(1) 또는 2차 액체 회로(2)에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력(12b)을 생성하는 것도 고려될 수 있다. 제 3 기계적 출력(12b)은 수소 전해조(47)로부터 수소 또는 산소 출력 중 적어도 하나를 압축하도록 배치될 수 있는 압축기(57)를 구동하는 데 사용될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 1차 액체 회로(1)의 가열된 액체(4)는 담수화 플랜트(40) 내의 물을 증류시키기 위해 이 플랜트(40)를 통해 순환될 수 있다. 다른 실시형태에서, 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(34)는 담수화 플랜트(40) 내의 물을 증류시키기 위해 이 플랜트(40)를 통해 순환될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 압축 공기 공급분은 보조 펌프를 구동하기 위해 보조 공기 공급에 추가로 전달된다. 보조 펌프(36b, 48, 61)는 2차 회로 내의 압력을 유지하도록, 또는 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하도록, 또는 전해조로부터 폐수를 펌핑하도록, 또는 전해조에 의해 생성되는 산소를 펌핑하도록 구성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 펌프(29, 36a, 38) 및 보조 펌프(36a, 48, 61) 중 하나 이상은 발전기(47)에 의해 생성된 전기에 의해 구동될 수 있다. 그러나, 발전기(47)로부터 과잉의 전기를 인출하면 전해조(49)의 용량이 감소된다.
지열 암모니아 제조 시스템
도 13-15을 참하면, 본 발명의 추가의 실시형태에서는 지열 암모니아 제조 시스템이 제공된다.
도 13-15은 각각 도 9-11에 예시된 시스템을 기반으로 한다. 도 9-11(시스템 102, 103, 104)에 관련하여 본 명세서에 기재된 모든 특징은 도 13-15에 예시된 지열 암모니아 제조 시스템(102a, 103a, 104a)에 존재한다. 이하에서 (도 9-11에 추가되는) 도 13-15의 추가의 구성요소 및 전술한 시스템(102, 103, 104)과의 상호연결성을 상세히 설명한다.
먼저 도 13의 지열 암모니아 제조 시스템(102a)(도 9의 시스템(102)에 기초함)을 참조한다. 도 13은 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되고 제 2 터빈인 1차 회로에 의해 구동되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2차 회로 또는 2원 회로를 갖는 지열 수소 및 암모니아 제조 플랜트의 개략도이다.
이 지열 암모니아 제조 시스템(102a)은 1차 액체 회로(1) 및 2차 회로(2)를 포함하고, 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰(5) 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리고, 1차 액체 회로(1)의 가열된 액체는 열교환기(30)에 공급되어 2차 회로(2)의 작동 매체를 가열하고, 가열된 작동 매체(34)는 담수화 플랜트(40)를 통과하고, 2차 회로의 가열된 작동 매체(34)는 제 1 터빈(10)을 구동하여 제 1 기계적 출력(12)을 생성하고, 1차 액체 회로(1)의 가열된 액체(4)는 2차 터빈(10a)을 구동하여 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하고, 제 1 기계적 출력은 (i) 물의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49); 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트(206)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력은 질소 플랜트(205)를 통해 주위 공기(28)를 흡인하는 공기 압축기(14)를 구동하여 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급하고, 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력 중 어느 하나는 염수를 담수화 플랜트에 공급하는 공급 펌프(29)를 구동하도록 그리고 담수를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)에 공급하는 담수 펌프(38)를 구동하도록 구성된다. 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력은 또한 1차 액체 회로(1)를 위한 시동 펌프(36a) 및 2차 회로(2)의 작동 매체를 구동하는 회로 펌프(36b)를 구동하도록 구성될 수 있다.
이 암모니아 제조 플랜트(206)는 하버-보쉬 암모니아 제조 플랜트일 수 있으나 이 하버-보쉬 프로세스에 한정되지는 않는다.
도 13의 시스템(102a)은 각각 복수의 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23)를 구동하는 복수의 압축 공기 라인(13, 15, 31, 32, 46)을 예시하고 있으나, 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23) 중 하나 이상은 발전기(47)의 전기 출력에 의해 전력을 공급받을 수 있다고 생각된다. 이렇게 함으로써 전해조(49)를 가동시키기 위한 가용 전력을 줄일 수 있으나, 하나 이상의 공기 펌프를 전기 구동 펌프로 치환해야 하는 지리적 또는 물리적 제한이 있을 수 있다. 일부의 실시형태에서, 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23)의 각각은 발전기(47)의 전기 출력에 의해 구동될 수 있다.
공기 압축기(14)는 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23)를 구동하기 위한 압축을 위해 주위 공기를 흡인하고, 또한 질소 플랜트 공기 흡기 라인(272)을 통해 질소 플랜트(205) 내로 주위 공기를 흡인하도록 구성된다. 질소 플랜트(205) 내에서 압축 공기는 필터(일련의 필터 및 질소 압축기는 도 14에 도시되지 않음)를 통해 강제적으로 압축 공기로부터 질소 및 산소를 분리하여 질소 라인(273)에 압축된 질소원을 제공한다. 압축 프로세스에 의해 질소는 약 400℃-600℃까지 가열된 후에 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급된다.
도 13은 또한 암모니아 제조 플랜트(206)에 발전기(47)로부터 전력을 제공하는 전기 케이블(270, 271) 형태의 전력 라인을 예시하고 있다.
수소가 전해조(49)로부터 인출되면 수송 또는 저장용 탱크(51)로 그리고 또한 암모니아 제조 플랜트(206)로 전달된다.
질소 라인(273)의 질소 공급, 발전기(47)로부터의 전력; 및 전해조(49)로부터의 수소와 함께, 이 암모니아 제조 플랜트(206)는 열 에너지 또는 열을 필요로 하며, 이것은 1차 액체 회로(1)(도 14 및 도 15에 더 자세히 도시되어 있음)로부터 인출된다.
암모니아 취출 라인(274)은 암모니아를 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 저장 탱크(278) 또는 수송용 탱커(tanker)로 전달한다.
암모니아 제조 시스템을 가동하기 위해서는 11kWh/kg의 추가의 전력이 필요한 것으로 계산된다.
질소 플랜트(205)는 또한 이를 통해 흡인된 주위 공기로부터 산소를 배출한다. 질소 플랜트(205)로부터의 산소는 전해조(49)의 산소 출구(58)로부터 인출된 산소와 결합하여 저장되거나, 판매되거나, 또는 이 플랜트(205) 또는 시스템 주위의 염수(16) 공급원 또는 저수지 내에 재도입되어 환경을 재산소화 및 재활성화시킬 수 있다. 이를 통해 해수 또는 염수 공급분(18) 내의 산소 수준을 높이고 지역의 식물상 및 동물상을 지원할 수 있다.
암모니아 제조 시스템(102a)에 대한 보다 상세한 내용은 시스템(103a, 104a)과 관련하여 설명한다.
다음에 도 14의 지열 암모니아 제조 시스템(103a)(도 10의 시스템(103)에 기초함)를 참조한다. 도 14는 3 개의 터빈이 1차 회로에 의해 구동되어 전기를 생성하고, 공기 압축기를 구동하고, MED 담수화 플랜트에도 공급하는 충분한 폐열로 공기 압축기, 수소 압축기 및 산소 압축기를 구동하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 시스템의 개략도이다.
도 14의 지열 암모니아 제조 시스템(103a)은 액체를 지열 웰(5)로 순환시키고, 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로(1) - 이 1차 액체 회로(1)는 담수화 플랜트(40)를 통과함 -; 및 가열된 액체(4)에 의해 구동되어 제 1(12), 제 2(12a) 및 제 3(12b) 기계적 출력을 생성하는 제 1(10), 2차(10a), 및 3차 터빈(10b)을 포함하고, 제 1 기계적 출력(12)은 (i) 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49); 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트(206)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 질소 플랜트(205)를 통해 주위 공기(28)를 흡인하여 이 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급하는 공기 압축기(14)를 구동하고, 제 3 기계적 출력(12b)은 전해조(49)에 의해 생성되는 수소를 압축하여 이 압축된 수소를 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급하는 압축기(57)를 구동하도록 구성되고, 제 1(12), 제 2(12a) 및 제 3(12b) 기계적 출력 중 어느 하나는 염수를 담수화 플랜트(40)에 공급하는 공급 펌프(29)를 구동하도록 그리고 담수를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)에 공급하는 담수 펌프(38)를 구동하도록 구성된다.
이 시스템(103a)은 일차 액체의 지열이 1차 액체 회로(1) 내에 포함되어 있고, 제 1, 제 2 및 제 3 터빈을 구동하기 위해 필요한 증기(6)를 제공하기 위해 반복적으로 플래싱된다는 점에서 도 13에 도시된 시스템(102a)과 다르다
질소, 전력 및 수소를 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급하는 것은 시스템(102a)와 관련하여 위에서 설명한 바와 같다. 암모니아 제조 플랜트(206)에 열 에너지를 공급하기 위해, 열원은 가열된 액체(4)가 분리기(25) 내로 플래싱되기 전에 태핑 포인트(tapping point; 200)에서 1차 액체 회로(1)로부터 인출된다. 암모니아 제조 프로세스의 열 요건은 가열된 액체(4)가 플래싱되거나 열교환기(30)로 안내되기 전에 열원을 웰 헤드(7)로부터 직접 인출해야한다. 1차 액체 회로(1)의 가열된 액체(4)는 도 14에서 개략적으로 태핑 포인트(200)를 나타내는 입력 화살표로 도시된 바와 같이 암모니아 제조 플랜트(206)에 전달된다.
1차 회로(1)로부터의 가열된 액체(4)는 태핑 포인트(200)에서 200℃-400℃의 온도로 인출된다. 이 온도는 어느 정도까지는 웰(5)의 깊이 및 그 내부의 열 구배에 의해 결정된다. 1차 액체 회로(1)로부터 태핑 포인트(200)에서 분류되는 액체의 양은 총 유량의 1% 내지 20% 범위일 수 있으나, 바람직하게는 전력 생산 전에 1차 회로(1)로부터 취출되는 것이 바람직하다. 웰 헤드(7)로부터 나가는 초기의 고온에서 1차 액체 회로(1)로부터 열 에너지를 취하면 터빈 입구에서의 온도가 낮아지고, 그 결과 발전기(47)로부터의 전기 생산이 감소한다. 그러나, 이것은 암모니아 플랜트(206)를 가열하기 위해 발전기(47)로부터의 전기를 사용하는 것보다 훨씬 더 효율적인 프로세스이다.
가열된 액체(4)는 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 배출되고, 재주입 지점(201)에서 1차 액체 회로(1) 내로 복귀된다. 재주입 지점(201)은 도 14에 개략적으로 도시되어 있고, 이것은 암모니아 제조 플랜트(206)를 떠나서 이 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 배출되는 가열된 액체(4)를 플래시 분리기(25) 이후의 1차 액체 회로(1) 내의 분리기(25)로부터 출력되는 잔류 가열된 액체(8) 내에 공급한다. 플랜트(206)를 나가서 재주입 지점(201)을 향하는 액체(4)의 온도는 150℃ 내지 300℃이다. 이 온도는 생성되는 암모니아의 양에 의해 결정되는 가열된 액체(4)의 유량에 따라 달라진다. 따라서 이 가열된 액체(4)는 1차 액체 회로(1)로부터의 열이 담수화를 위해 사용되기 전에 지열 폐쇄형 1차 액체 회로(1) 내로 재도입된다.
1차 회로(1)로의 재주입 지점(201a)에 대한 제 2의 임의의 장소는 제 3 분리기(25b)의 입구에서 2차 분리기(25a)로부터 배출되는 잔류 가열된 액체(8a) 내로이다. 암모니아 제조 수준이 증가하고 암모니아 플랜트(206)를 통과하는 가열된 액체(4)로부터 더 많은 열이 취해지는 경우에 1차 액체 회로(1) 내로의 재주입 지점(201a)을 사용할 수 있다. 암모니아 플랜트(206)로부터 나오는 가열된 액체(4)의 온도가 약 200℃로 낮아지면, 재주입 지점(201a)은 제 3 분리기(25b) 이전에 그리고 1차 액체 회로(1)로부터의 열이 담수화를 위해 사용되기 전에 위치한다.
1차 액체 회로(1)에 대한 재주입 지점(201b)의 제 3 선택적 위치는 제 4 분리기(25c)의 입구에서 제 3 분리기(25b)로부터의 배기(8b) 내로이다. 암모니아 제조 수준이 증가하고 암모니아 플랜트(206)를 통과하는 가열된 액체(4)로부터 더 많은 열이 취해지는 경우에 1차 액체 회로(1) 내로의 재주입 지점(201b)을 사용할 수 있다. 암모니아 플랜트(206)로부터 나오는 가열된 액체(4)의 온도가 약 150℃로 낮아지면, 재주입 지점(201b)은 제 4 분리기(25c) 이전에 1차 액체 회로(1)로부터의 열이 담수화를 위해 사용되기 전에 위치한다.
재주입 지점(201, 201a, 201b)은 선택 사항이며, 암모니아 제조 수준에 따라 달라질 수 있다. 암모니아 플랜트(206)로부터의 배기(201, 201a, 201b)가 1차 액체 회로(1) 내의 가열된 액체(4)의 온도에 대응하는 온도에서 1차 액체 회로(1)로 되돌아가도록 재주입 지점(201, 201a, 201b)이 선택되므로 배출된 액체(4)를 1차 액체 회로(1) 내로 재주입하는 것은 분리기(25a, 25b, 25c)의 출력에 악영향을 주지 않는다. 따라서, 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 배출되는 액체를 위한 재주입 지점(201, 201a, 201b)은 1차 액체 회로(1) 내의 유사한 온도에서 가열된 액체(4)와 결합한다: 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 배출되는 액체 온도가 낮을수록 하나 이상의 프로세스에 의해 발전 및 펌핑 등을 위한 열 에너지를 추출한 후에 1차 액체 회로(1) 내로의 재주입 지점에서의 온도는 더 낮아진다.
도 13에 더하여, 시스템(103a)은 수소 냉각기(276)를 포함한다. 수소가 압축기(57)에 의해 압축되면 수소의 온도는 400℃(최대 600℃)으로 상승한다. 수소 및 질소가 고온일수록 암모니아 제조 플랜트(206) 내에서의 암모니아 합성 프로세스는 더 양호해진다. 또한, 유입되는 가스의 온도가 높으면 필요한 압력이 작아진다.
가열 및 압축된 수소는 가열된 수소 라인(275)을 통해 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급되지만 저장이나 수송을 위해서는 냉각되어야 한다. 가열된 수소 라인(275)에 간단히 밸브 구성을 추가하여 암모니아 제조 플랜트(206)로의 수소의 공급을 개시하거나 중단할 수 있다. 수소 냉각기(276)는 물 냉각기이고, 담수화 플랜트(40)로 가는 도중에 공급 펌프(29)에 의해 흡인되는 해수(염수)(16)로 채워진다. 가열된 수소 라인(275)을 통해 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급되는 수소는 압축된 수소 라인(50a)로부터 인출된 후에 수소 냉각기(276)로 유입된다.
가열된 수소 라인(275) 내의 가열된 수소가 이미 고온이므로, 추가의 열 에너지를 암모니아 제조 플랜트(206)가 요구하는 경우, 추가의 열원(200)을 선택적 열원으로서 확보할 수 있다. 분리기(25) 이전의 1차 액체 회로(1)로부터 열 에너지를 인출하면 시스템(103a)의 발전 용량이 감소한다.
시스템(103a)은 시스템(102a)에 추가될 수 있는 추가의 산소 압축기(277)를 예시하지만 도 13에는 예시되지 않았다. 산소 압축기(277)는 전해조(49)로부터 인출되는 산소(58)를 압축하고, 질소 플랜트(205)의 배기로부터도 추가로 공급받을 수 있다.
명확성을 위해, 산소 압축기(277)는 동일한 압축기이지만 도 14에서 2번 예시되어 있다. 산소 압축기(277)는 제 2 터빈(10a)으로부터의 제 2 기계적 출력(12a)에 의해 구동된다. 이는 제 2 터빈(10a)에 의해 구동되는 이중 압축기 구성(14, 277)이다. 당업자는 하나의 터빈으로부터 2 개의 압축기를 구동하기 위해 수많은 구성을 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이며, 본 발명은 도 14의 개략도에 한정되지 않는다.
도 14에 도시되어 있지 않으나, 산소 압축기(277)는 제 3 기계적 출력(12b)을 사용하여 3차 터빈(10b)에 의해 구동되어 시스템(103a)의 산소 및 수소 압축기의 둘 모두를 구동할 수 있다. 시스템(103a)의 추가의 실시형태에서, 발전기(47)로부터의 전력은 산소 압축기(277)를 구동하는 데 사용될 있고, 이는 시스템(103a)의 다른 부분에서 사용가능한 전력을 감소시킨다는 점에 유의한다.
압축기(14)로부터의 압축 공기 공급분을 사용하여 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23)를 구동할 때, 이 시스템은 발전기(47)를 통해 최대 열 에너지를 전기의 생산으로 안내한다. 그러나, 지열 웰(5)로부터의 열 에너지를 최상으로 활용하기 위해 시스템을 여러 가지 방법으로 조절할 수 있는 것으로 이해된다. 질소, 수소, 산소 및 물을 시스템(103a)의 다양한 부분에 공급하기 위해 압축 공기를 사용하면 가장 효율적인 작동 모드가 제공된다. 전해조에서의 수소 제조 프로세스로부터 전기 에너지를 전환하면 수소 제조는, 지열 에너지가 전기를 제공하지만 1차 액체 회로(1)로부터의 폐열 에너지를 사용하여 주변 펌핑 프로세스를 구동하는 것만큼 효율적이지 않지만, 여전히 "녹색" 수소 제조 프로세스이다. 시스템(103a) 내에서의 펌핑, 냉각 및 압축 프로세스는 100kWh를 필요로 할 수 있으며, 이는 발전기(47)로부터 인출되는 경우에 전해조(49) 및 암모니아 제조 플랜트(206)의 둘 모두로의 전력을 감소시킨다.
도 15의 지열 암모니아 제조 시스템(104a)(도 11의 시스템(104)에 기초함)을 참조한다. 도 15는 제 1 터빈이 2차 회로에 의해 구동되어 발전기에 전력을 공급하고, 1차 회로가 공기 압축기, 수소 압축기 및 산소 압축기를 구동하도록 구성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 플랜트의 개략도이다.
이 시스템(104a)은 1차 회로(1) 및 2차 회로(2)를 포함하며, 1차 액체 회로는 액체(3)를 지열 웰(5) 내로 순환시키고, 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리고, 가열된 액체(4)는 1차 액체 회로(1) 내의 담수화 플랜트(40)를 통과하고, 1차 회로(1)의 가열된 액체는 열교환기(30)를 통과하여 2차 회로(2)의 작동 매체(33)를 가열하고, 2차 회로(2)의 가열된 작동 매체(34)는 제 1 터빈(10)를 구동하여 제 1 기계적 출력(12)을 생성하고, 1차 회로(1)의 가열된 액체(4)는 제 2 터빈(10a)을 구동하여 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하고; 제 1 기계적 출력(12)은 (i) 물의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49); 및 (ii) 암모니아 제조 플랜트(206)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 제 1 공기 압축기(14) 및 제 2 수소 압축기(57)를 구동하고, 제 1 압축기(14)는 질소 플랜트(205)를 통해 주위 공기를 흡인하여 이 주위 공기로부터 질소를 분리하여 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급하도록 구성되고, 제 2 압축기(57)는 전해조(49)에 의해 생성되는 수소를 압축하여 이 압축된 수소를 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급하도록 구성되고, 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a) 중 어느 하나는 염수를 담수화 플랜트(40)에 공급하는 공급 펌프(29) 및 담수를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)에 공급하는 담수 펌프(38)를 구동하도록 구성된다.
시스템(104a) 내에서 담수화 플랜트(40) 및 제 2 기계적 출력(12a)의 둘 모두 1차 액체 회로(1) 내의 열 에너지에 의해 구동된다. 도 15에는 3 개의 압축기, 즉 공기 압축기(14), 수소 압축기(57); 및 산소 압축기(277)를 구동하는 제 2 터빈(10a)이 예시되어 있다. 공기 압축기(14)는 복수의 압축 공기 공급분(13, 15, 31, 32, 46)을 제공하여 시스템(104a)의 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23)를 구동하도록 구성된다. 그러나, 본 명세서에서 이전에 설명한 바와 같이, 펌프(29, 36a, 38, 36b, 23) 중 하나 이상은 발전기(47)에 의해 전기적으로 구동될 수도 있다.
시스템(104a)에서 가열된 액체(4)는 웰 헤드(7)로부터 직접 인출되는 태핑 포인트(200)에서 배출되고, 1차 회로 내로 재주입 지점(201)에서 재도입되고, 태핑 포인트(200) 및 재주입 지점(201)은 둘 모두 가열된 액체(4)가 열교환기(30)로 유입되기 전에 배치된다.
도 15에는 1차 액체 회로(1) 내의 가열된 액체(4)가 열교환기(30)를 나간 후 및 가열된 액체(4)가 담수화 플랜트(40) 내에 도입되기 전에 배치된 임의의 2차 재주입 지점(201a)이 또한 예시되어 있다.
본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 배출되는 액체를 위한 재주입 지점(201, 201a)은 1차 액체 회로(1) 내의 유사한 온도에서 가열된 액체(4)와 결합한다: 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 배출되는 액체 온도가 낮을수록 하나 이상의 프로세스에 의해 발전 및 펌핑 등을 위한 열 에너지를 추출한 후에 1차 액체 회로(1) 내로의 재주입 지점에서의 온도는 더 낮아진다.
500℃를 초과할 수 있는 압축된 수소 라인(50a) 내의 수소를 냉각시키기 위해 수소 냉각기(276)가 또한 시스템(104a)에 통합되어 있다. 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이, 수소 냉각기(276)는 물 냉각기이고, 담수화 플랜트(40)를 향하는 공급 펌프(29)에 의해 흡인되는 해수 또는 염수(16)로 채워진다. 가열된 수소 라인(275)을 통해 암모니아 제조 플랜트(206)로 공급되는 수소는 압축된 수소 라인(50a)으로부터 인출된 후에 수소 냉각기(276)로 유입된다.
본 명세서에서 도 11과 관련하여 설명한 바와 같이, 시스템(104a)은 또한 2차 회로(2)용 담수 냉각 시스템을 제공한다. 냉각 시스템은 담수 응축기(59)의 형태로 제공된다. 담수 응축기(59)는 2차 회로(2)로부터 열 에너지를 인출하여 2차 회로(2)를 냉각하고, 담수화 플랜트(40)로부터 증류되는 담수(19)를 가열한 후에 고온의 담수 파이프(59a)를 통해 전해조(49)로 공급된다..
담수 응축기(59)는 수소 제조 효율을 높이기 위해 증류수를 전해조(49)로 공급되기 전에 가열하고, 2차 회로(2)를 위한 담수 냉각기(유지보수가 낮음) 및 응축기를 제공한다. MED 플랜트(40)로부터 이 담수 응축기(59)를 통한 증류수 또는 담수(19)의 흐름은 1차 액체 회로(1) 내의 열 에너지에 의해 달성된다.
본 명세서에서 도 11과 관련하여 설명한 바와 같이, 시스템(104a)은 또한 2차 염수 응축기(60)를 제공한다. 염수 응축기(60)는 2차 회로(2)에서 가열된 작동 매체의 추가의 냉각 및 응축을 위해 활성화될 수 있고, 더 낮은 수준의 전기 제조는 더 낮은 수준의 냉각/응축을 필요로 하므로 더 낮은 수준의 전기 생성이 필요한 경우에는 비활성화될 수 있다.
염수 응축기(60)는 2차 회로(2)로부터 열 에너지를 인출함으로써 2차 회로(2)를 냉각시키고, 염수(16)를 가열한 후에 증류를 위해 담수화 플랜트(40)에 공급된다. 해수 또는 염수(16)의흐름도 열 에너지에 의해 달성된다.
또한 암모니아 제조 플랜트(206)로부터 출력되는 암모니아를 압축하기 위해 시스템(102a, 103a, 104a) 중 어느 하나에 추가의 펌프를 추가할 수 있는 것으로 생각된다. 도 13-15에 예시되지 않은 이 펌프는 압축기(14)로부터의 압축 공기나 발전기(47)로부터의 전력에 의해 구동될 수 있다.
본 명세서에서는 질소 플랜트(205)가 주위 공기로부터 질소를 분리하는 것으로서 기술되어 있으나, 질소가 물로부터 추출되어 암모니아 제조 플랜트(206)에 공급될 수도 있다고 생각된다.
본 명세서에서는 암모니아 제조 플랜트(206)가 하버-보쉬 프로세스 플랜트로서 기술되어 있으나, 암모니아 제조의 대안적 방법은 본 명세서에서 기술한 바와 같은 시스템을 사용하여 웰의 지열 에너지에 의해 구동될 수 있다고 생각된다.
도 16의 지열 암모니아 제조 시스템(103b)을 참조한다(도 14의 시스템(103a)에 기초함). 도 16은 본 발명의 일 실시형태에 따른 지열 수소 및 암모니아 제조 플랜트의 개략도이고, 여기서 시스템(103a)에 대해 추가의 냉각을 제공하기 위해 지역 냉방 시스템(64) 및 냉각지(cooling pond; 62, 63)가 배치되어 있다.
이 시스템(103b)은 액체를 지열 웰(5) 내로 순환시키고, 지열 웰(5)의 웰 헤드(7)로부터 가열된 액체(4)를 되돌리는 1차 액체 회로(1) - 1차 액체 회로(1)는 열 에너지를 담수화 플랜트(40)에 공급함 -; 및 가열된 액체(4)에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a)을 생성하는 제 1 터빈(10) 및 제 2 터빈(10a)을 포함하고, 제 1 기계적 출력(12)은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조(49)에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(47)를 구동하고, 제 2 기계적 출력(12a)은 전력망에 전력을 제공하도록 구성된 제 2 발전기(47a) 및 지역 냉방 시스템(64)과 접속된 냉각 회로(204)를 구동하고, 이 냉각 회로(204)는 1차 액체 회로(1)의 잔류 열 에너지에 의해 구동되는 냉각기(203)를 포함한다. 냉각기(203)는 흡수 냉각기일 수 있다.
제 1 발전기(47)는 바람직하게는 직류 발전기이고, 주로 전해조(49)에 전력을 공급하는 데 사용된다. 시스템(103b)의 일부의 실시형태에서, DC 발전기(47)로부터의 전력을 사용하여 시스템(103b) 내의 펌프 및 압축기에 전력을 공급하여, 예를 들면, 1차 액체 회로(1)를 개시하고; 염수를 담수화 플랜트(40)에 펌핑하고; 전해조(49)로부터의 수소를 압축하고; 담수를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)로 펌핑할 수 있다.
제 2 발전기(47a)는 바람직하게는 지역 에너지 망 내에 직접 추가의 전기 에너지를 공급하도록 구성된 교류 발전기이다. 이는 시스템(103b)에 추가의 상업적 수익 흐름을 제공한다.
일부의 실시형태에서, 시스템(103b)은 제 1 기계적 출력(12) 및 제 2 기계적 출력(12a) 중 어느 하나에 의해 구동되어 담수화 플랜트(40)에 염수를 공급하는 공급 펌프(29)를 구동하도록 구성된 적어도 하나의 압축 공기 공급분을 공급하는 압축기(14)를 더 포함한다. 추가의 압축 공기 공급분은 압축기(14)로부터 인출되어 담수를 담수화 플랜트(40)로부터 전해조(49)에 공급하는 담수 펌프(38)를 구동할 수 있다. 추가의 압축 공기 공급분은 압축기(14)로부터 인출되어 전해조(49)에 의해 생성되는 수소를 저장 또는 수송을 위해 압축하는 수소 압축기(57)를 구동할 수 있다. 수가의 압축 공기 공급분은 압축기(14)로부터 인출되어 1차 액체 회로(1)의 액체의 순환을 개시시키는 시동 펌프(36a)를 구동할 수 있다.
1차 액체 회로(1)로부터의 잔류 열 에너지는 전기 생산, 펌핑, 압축 및 담수화 플랜트(40) 등의 프로세스가 열을 추출한 후에 회로(1)로부터 인출된다. 1차 액체 회로(1) 내의 잔류 온도는 저비용의 냉각을 생성하기 위한 열원으로서 냉각기(203)에 공급하기에 충분하다.
이 시스템(103b)은 시스템의 부근의 건물(202)에 서비스를 제공하기 위해 지역 냉방 시스템(64)과 통합하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 이 시스템(103b)은 1차 액체 회로(1)로부터의 폐열에 의해 사무실 공간 또는 개인 주택(207)을 냉각하도록 구성될 수 있고, 1차 액체 회로(1)의 액체를 추가로 냉각하고 열 사이펀 효과를 전파할 수 있다.
1차 액체 회로(1)로부터 폐기되거나 배출된 열 에너지에 의해 공급을 받는 시스템(103b)의 추가의 장점은 열 사이펀 효과를 유지하는 데 필요한 대부분의 냉각수가 지역 냉방으로서의 열 에너지의 판매의 형태로 수익을 창출하는 데 사용될 수 있다는 것이다. 7℃의 냉각 회로(204)에 있는 물의 일부는 1차 액체 회로(1)를 냉각하도록 안내된다. 추가의 냉각은 해수 냉각의 유량 요구량을 감소시키고 저온의 배기 온도로 인해 터빈(10, 10a)에 의한 에너지 생산을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시킨다.
이 시스템(103b)은 또한 일련의 냉각지, 예를 들면, 염수 냉각지(62) 및 담수 냉각지(63)를 포함할 수 있다. 담수화 전에 염수를 가열하면 담수화 플랜트(40)의 담수 제조 효율이 향상되지만, 대양으로 다시 방출되는 염수의 온도가 높지 않은 것이 바람직하다.
담수 냉각지(63)는 시스템의 담수(19) 회로 내에 통합되어 냉각기(203)로부터의 따뜻하거나 뜨거운 액체(약 70℃) 및 담수 응축기(59)로부터의 저온의 물(약 25℃)를 받아들여 조합된 담수원이 약 50℃의 온도까지 냉각되게 한 후에 1차 액체 회로(1)의 지열 웰(5) 내로 복귀할 수 있게 한다.
지역 냉방 시스템(64)의 통합은 시스템(103b)의 수소 또는 암모니아 제조 능력의 효율에 영향을 미치지 않을 것이다. 그러나, 수증기 터빈(10, 10a)의 효율에는 긍정적인 영향을 미칠 것이다. 따라서, 시스템(103b)으로부터의 전기 생성량을 증가시켜 제 2 발전기(47a)를 추가하고, 이는 결국 전해조(49)에서 전기분해에 사용할 수 있는 추가의 전기로 인해 생산되는 수소의 양에 긍정적인 영향을 미칠 것이다.
냉각기(203)로의 바람직한 공급 온도는 85℃-95℃이다. 이는 담수화 플랜트(40)의 바람직한 공급 온도인 약 110℃와 비교되며, 담수화 플랜트를 나가는 1차 액체 회로(1)에서 배출되는 열은 추가의 열 추출을 위해 냉각기(203)로 공급될 수 있다.
염수 냉각지(62)는 시스템의 염수(16) 회로 내에 통합되어 담수화 플랜트(40)로부터의 따뜻하거나 뜨거운 염수(약 50℃) 및 염수 응축기(60)로부터의 따뜻하거나 뜨거운 염수(약 50℃)를 받고, 이 결합된 염수 공급원을 약 35℃-40℃의 조합된 온도로 냉각될 수 있도록 한 후에 대양 또는 대안적 해수 공급원으로 다시 공급한다. 이러한 구성은 염수 응축기(60)를 통해 시스템(103b)을 냉각하는 데 필요한 해수의 양을 크게 감소시키며, 이는 해수 방출량이 확장을 제한하는 중요한 고려사항이 될 수 있다. 염수 냉각/증발지(evaporation pond; 62)는 바다 소금을 제조하는 데도 사용될 수 있고, 해수를 증발지에 공급하는 태양열 펌핑을 사용하는 현재의 방법과 비교할 때 비용을 크게 절감할 수 있다.
냉각기(203)는 흡수 냉각기, 원심 냉각기, 또는 헬리컬 로터리 냉각기일 수 있다. 하나의 실시형태에서, 냉각기(203)는 기계식 압축기와는 반대로 흡수 냉동 사이클을 사용하는 흡수 냉각기이며, 시스템(103b)으로부터의 폐열 에너지로 작동하여 지역의 건물(202)의 HVAC 시스템에 냉각을 제공하도록 구성된다. HVAC이라는 용어는 일반적으로 "Heating, Ventilation and Cooling system"을 지칭하는 것으로 이해된다. "흡수" 냉각기라는 용어는 냉각기가 제 1 유체로부터 열을 흡수하고 그 열을 제 2 유체로 전달함으로써 냉각 효과를 제공하는 능력을 지칭한다.
흡수 냉각기(203)는 증발, 흡수 및 재생을 사용하는 흡수 냉각 사이클을 구동하기 위해 1차 액체 회로(1)로부터의 가열된 액체(4)와 같은 고온 에너지원을 필요로 한다. 1차 액체 회로(1)로부터의 열은 증발기에서 냉각기(203)의 암모니아 냉매를 끓여 암모니아 증기를 형성하는 데 사용된다. 암모니아 증기는 흡수기 내의 흡수제(예를 들면, 물)에 도입되어 암모니아를 흡수하여 강력하고 농축된 암모니아 용액을 형성한다. 농축된 암모니아 용액을 다시 가열하여 흡수제로부터 암모니아를 분리하고 순수한 고압 암모니아 증기를 형성하여 응축기로 흐르게 한다. 응축기 내에서 뜨거운 암모니아 증기는 파이프를 통해 흡인되어 파이프의 외면을 가열한다. 이 파이프는 차가운 공기 또는 물과 접촉하여(파이프의 뜨거운 표면으로부터 열을 추출하고), 암모니아 증기를 다시 액체로 변환하여 증발기로 되돌려 보낸다.
냉각기(203)에서 암모니아 냉매를 사용하면 오존층 파괴 등급이 0이라는 점에서 대체 냉매에 비해 많은 이점을 제공한다. 또한 암모니아는 자연적으로 발생하는 물질이며 지구 온난화 지수가 1보다 작다. 전형적으로, 1차 액체 회로(1)에 냉각을 제공하기 위해 흡수 냉각기를 사용하는 비용은 상업적으로 실행가능하지 않지만 이 시스템(103b)은 냉각 용량의 최소 50%로부터 수입을 창출할 수 있는 기회를 제공하므로 잔류 시스템 열을 에너지 생성 냉각으로 사용할 수 있다. 냉각기(203)에 필요한 암모니아는 시스템(103b)의 암모니아 출력으로부터 공급될 수도 있다.
냉각기(203)는 냉각 회로(204)의 필수 부분이며, 담수 응축기(59), 냉각기(203), 건물(202) 또는 개인 주택(207)의 증발기 사이에서 열 전달 매체(예를 들면, 물)를 순환시킨다. 도 16을 참조하면, 냉각 회로(204)는 폐회로이며, 그 안에 열 전달 매체를 수용하고 있다. 열 전달 매체가 흡기 냉각기(203)로 흐름에 따라 열 전달 매체는 약 20℃에서 약 7℃로 냉각된다.
냉각된 열 전달 매체는 지역 냉방 시스템(64)에 접속된 건물(202) 또는 개인 주택(207)의 공조 시스템의 하나 이상의 증발기로 흐른다. 이 냉각된 열 전달 매체는 건물의 증발기를 통해 흐르고, 건물(202, 207)로부터 따뜻하거나 뜨거운 공기가 (일반적으로 팬에 의해) 증발기를 통해 흘러서 공기를 냉각시키고 열 전달 매체의 온도를 최대 약 13℃까지 올린다.
따뜻해진 열 전달 매체는 담수 응축기(59)로 흘러서 담수 회로와 냉각 회로(204) 사이에 열이 교환되어 담수의 온도를 약 45℃로부터 약 25℃로 감소시키고, 열 전달 매체의 온도를 약 13℃로부터 약 20℃로 상승시킨다.
열 에너지(열)는 1차 액체 회로(1)에 의해 냉각기(203)를 구동하도록 투입되고, 가열된 액체(4)는 약 85℃-95℃에서 냉각기(203) 내로 유입되고, 냉각기(203)로부터 배출되는 가열된 액체(4)의 온도는 약 70℃로 감소된다..
냉각 회로(204)의 열 전달 매체는 이 냉각 회로(204)의 파이프의 부식을 줄이기 위해 부식 억제제를 함유할 수도 있다.
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.
1 1차 액체 회로
2 2차 액체 회로
3 1차 액체 - 물
4 가열된 물
5 지열 웰
6 수증기
7 웰 헤드
8 잔류 가열된 액체
9 터빈 배기 유체
10 터빈
12 기계적 출력
13 압축 공기 라인 j
14 공기 압축기
15 압축 공기 라인 k
16 염수
17 염수 보어 헤드
18 염수 보어
19 담수
20 담수 출구
21 해수 출구
22 공기 진공 펌프
23 공기 구동식 해수 펌프
24 진공 라인
25 플래시 분리기
26 드레인
27 염수 공급 라인
28 주위 공기 흡기구
29 공기 웰 펌프
30 열교환기
31 압축 공기 라인 l
32 압축 공기 라인 m
33 작동 매체
34 가열된 작동 매체
36a 1차 회로 시동 펌프
36b ORC 회로 펌프
37 공기 저장 탱크
38 담수 펌프
39 해수
40 담수화 플랜트
42 제 1 체임버
43 보충수 공급
44 최종 체임버
46 압축 공기 라인 n
47 발전기
48 해수 배출 펌프
49 전해조
50 수소 라인
51 수소 저장 탱크
52 캐소드
53 애노드
54 격막
55 전해질 용액
56 전력 공급
57 수소 압축기
58 산소 배출
59 담수 응축기
60 염수 응축기
61 폐수 펌프
62 냉각지 - 해수
63 냉각지 - 담수
64 지역 냉방
65 압축 공기 라인 o
100 지열 수소 제조 시스템
101, 102 2원 회로를 갖는 지열 수소 제조 시스템
103 지열 수소 제조 및 압축 시스템
104 2원 회로를 갖는 지열 수소 제조 및 압축 시스템
112 웰 입구
114 웰 출구
120 외부 케이싱
122 단열된 내부 케이싱
170 제 1 지지 케이싱
172 제 2 지지 케이싱
174 제 3 지지 케이싱
200 태핑 포인트
201 재주입 지점
202 건물
203 냉각기
204 냉각 회로
205 질소 플랜트
206 암모니아 제조 플랜트
207 개인 주택
270 양극 전력 케이블
271 음극 전력 케이블
272 질소 플랜트 공기 흡기구
273 암모니아 플랜트로의 질소 라인
274 암모니아 취출 라인
275 가열된 수소 라인
276 수소 냉각기
277 산소 압축기
278 암모니아 저장 탱크
400 액체 가열 단계
401 터빈 구동 단계
402 발전기 구동
403 공기 압축기 구동 단계
404 공기 웰 펌프를 구동하는 제 1 공기 공급 라인을 구성함
405 시동 펌프를 구동하는 제 2 공기 공급 라인을 구성함
406 담수 펌프를 구동하는 제 3 공기 공급 라인을 구성함
510 시일
512 외부 지지 칼라
2 2차 액체 회로
3 1차 액체 - 물
4 가열된 물
5 지열 웰
6 수증기
7 웰 헤드
8 잔류 가열된 액체
9 터빈 배기 유체
10 터빈
12 기계적 출력
13 압축 공기 라인 j
14 공기 압축기
15 압축 공기 라인 k
16 염수
17 염수 보어 헤드
18 염수 보어
19 담수
20 담수 출구
21 해수 출구
22 공기 진공 펌프
23 공기 구동식 해수 펌프
24 진공 라인
25 플래시 분리기
26 드레인
27 염수 공급 라인
28 주위 공기 흡기구
29 공기 웰 펌프
30 열교환기
31 압축 공기 라인 l
32 압축 공기 라인 m
33 작동 매체
34 가열된 작동 매체
36a 1차 회로 시동 펌프
36b ORC 회로 펌프
37 공기 저장 탱크
38 담수 펌프
39 해수
40 담수화 플랜트
42 제 1 체임버
43 보충수 공급
44 최종 체임버
46 압축 공기 라인 n
47 발전기
48 해수 배출 펌프
49 전해조
50 수소 라인
51 수소 저장 탱크
52 캐소드
53 애노드
54 격막
55 전해질 용액
56 전력 공급
57 수소 압축기
58 산소 배출
59 담수 응축기
60 염수 응축기
61 폐수 펌프
62 냉각지 - 해수
63 냉각지 - 담수
64 지역 냉방
65 압축 공기 라인 o
100 지열 수소 제조 시스템
101, 102 2원 회로를 갖는 지열 수소 제조 시스템
103 지열 수소 제조 및 압축 시스템
104 2원 회로를 갖는 지열 수소 제조 및 압축 시스템
112 웰 입구
114 웰 출구
120 외부 케이싱
122 단열된 내부 케이싱
170 제 1 지지 케이싱
172 제 2 지지 케이싱
174 제 3 지지 케이싱
200 태핑 포인트
201 재주입 지점
202 건물
203 냉각기
204 냉각 회로
205 질소 플랜트
206 암모니아 제조 플랜트
207 개인 주택
270 양극 전력 케이블
271 음극 전력 케이블
272 질소 플랜트 공기 흡기구
273 암모니아 플랜트로의 질소 라인
274 암모니아 취출 라인
275 가열된 수소 라인
276 수소 냉각기
277 산소 압축기
278 암모니아 저장 탱크
400 액체 가열 단계
401 터빈 구동 단계
402 발전기 구동
403 공기 압축기 구동 단계
404 공기 웰 펌프를 구동하는 제 1 공기 공급 라인을 구성함
405 시동 펌프를 구동하는 제 2 공기 공급 라인을 구성함
406 담수 펌프를 구동하는 제 3 공기 공급 라인을 구성함
510 시일
512 외부 지지 칼라
Claims (56)
- 지열 수소 제조 시스템으로서,
액체를 지열 웰(geothermal well) 내로 순환시키고, 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리는 1차 액체 회로 - 상기 1차 액체 회로는 담수화 플랜트를 통과함 -;
가열된 액체에 의해 구동되어 제 1 기계적 출력을 생성하는 제 1 터빈; 및
가열된 액체에 의해 구동되어 제 2 기계적 출력을 생성하는 제 2 터빈을 포함하며,
상기 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 상기 제 2 기계적 출력은 압축기를 구동하여 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 상기 담수화 플랜트에 공급하고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로를 시동시키고, 상기 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 상기 담수화 플랜트로부터 상기 전해조로 공급하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 가열된 액체의 일부는 분리기 내에서 압력 변화를 받아 상기 제 1 터빈 및 상기 제 2 터빈을 구동하기 위한 증기를 생성하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
제 1 분리기로부터의 잔류 가열된 액체는 상기 1차 회로 내의 제 1 터빈 액체로부터의 배기와 혼합되어 상기 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시키는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 3 항에 있어서,
제 2 분리기로부터의 잔류 가열된 액체는 상기 1차 회로 내의 제 2 터빈으로부터의 배기와 혼합되어 상기 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시키는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 터빈으로부터의 제 2 기계적 출력에 의해 구동되고, 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 더 포함하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 가열된 액체에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 3 터빈을 더 포함하고,
상기 제 3 기계적 출력은 제 2 압축기를 구동하여 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성되는, 지열 수소 제조 시스템. - 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템으로서,
상기 1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 상기 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기에 공급되어 상기 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 상기 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고,
상기 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 상기 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고,
상기 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 상기 제 2 기계적 출력은 압축기를 구동하여 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 상기 담수화 플랜트에 공급하고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로를 시동시키고, 상기 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 상기 담수화 플랜트로부터 상기 전해조로 공급하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 터빈으로부터의 제 2 기계적 출력에 의해 구동되고, 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 더 포함하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 7 항에 있어서,
(i) 상기 1차 액체 회로의 가열된 액체; 또는 (ii) 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체 중 어느 하나에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 3 터빈을 더 포함하고,
상기 제 3 기계적 출력은 제 2 압축기를 구동하여 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성되는, 지열 수소 제조 시스템. - 1차 회로 및 2차 회로를 포함하는 지열 수소 제조 시스템으로서,
1차 액체 회로는 액체를 지열 웰 내로 순환시키고 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 되돌리고, 상기 가열된 액체는 상기 1차 액체 회로 내의 담수화 플랜트를 통과하고,
상기 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기를 통과하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 상기 1차 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 생성하고;
상기 제 1 기계적 출력은 담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 전해조에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 구동하고, 상기 제 2 기계적 출력은 압축기를 구동하여 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 제공하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 상기 담수화 플랜트에 공급하고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로를 시동시키고, 상기 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 상기 담수화 플랜트로부터 상기 전해조로 공급하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 터빈으로부터의 제 2 기계적 출력에 의해 구동되고, 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 더 포함하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 10 항에 있어서,
(i) 상기 1차 액체 회로의 가열된 액체; 또는 (ii) 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체 중 어느 하나에 의해 구동되어 제 3 기계적 출력을 생성하는 제 3 터빈을 더 포함하고,
상기 제 3 기계적 출력은 제 2 압축기를 구동하여 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 회로는:
상기 2차 회로로부터 열을 인출하여 상기 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 상기 전해조에 공급하도록 구성된 담수 응축기; 및
상기 2차 회로로부터 열을 인출하여 상기 염수를 가열한 후에 상기 담수화 플랜트에 공급하도록 구성된 염수 응축기 중 적어도 하나를 포함하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 회로 내의 작동 매체는 끓는점이 낮은 2원계 유체인, 지열 수소 제조 시스템. - 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 매체는 N-펜탄인, 지열 수소 제조 시스템. - 제 7 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기는 상기 2차 회로 내의 작동 매체를 순환시키기 위한 회로 펌프를 구동하기 위해 제 4 압축 공기 공급분을 더 제공하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 담수화 플랜트로부터의 담수는 상기 전해조로 직접 펌핑되어 산소 및 수소로 분리되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소는 상기 전해조로부터 수집되어 약 1000 Bar의 액체 형태로 저장되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 가열된 액체 또는 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체 중 어느 하나는 열 에너지를 박탈하는 상기 담수화 플랜트를 통과하여 상기 담수화 플랜트 내의 염수를 증류하여 담수 및 해수를 생성하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기는 상기 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하도록 해수 펌프를 구동하기 위한 제 5 압축 공기 공급분을 더 제공하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기는 제 6 압축 공기 공급분을 더 제공하여 상기 전해조로부터 폐수를 펌핑하기 위한 폐수 펌프를 구동하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 펌프, 상기 시동 펌프, 상기 담수 펌프, 상기 회로 펌프, 상기 해수 펌프, 및 상기 폐수 펌프 중 적어도 하나는 상기 발전기에 의해 전력을 공급받도록 구성되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 터빈, 상기 제 2 터빈 및 상기 제 3 터빈 중 적어도 하나는 스크류 팽창기, ORC 터빈, 엔진, 증기 엔진 또는 수차 중 임의의 하나로 치환되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 펌프는 염수를 염수 공급원으로부터 상기 담수화 플랜트의 제 1 체임버로 구동하도록 구성되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 24 항에 있어서,
상기 염수는 상기 담수화 플랜트의 제 1 체임버 내로 분사되고, 상기 제 1 체임버는 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체 또는 상기 1차 액체 회로를 통과하는 가열된 액체 중 어느 하나에 의해 가열되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
저장 탱크가 압축 공기를 저장하기 위해 제 1 공기 공급, 제 2 공기 공급, 및 제 3 공기 공급 중 적어도 하나 내에 통합되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
공기 진공 펌프가 상기 압축기의 상류에 접속되므로 상기 공기 진공 펌프는 상기 압축기 내로 흡인되는 주위 공기의 흐름에 의해 구동되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 27 항에 있어서,
진공 라인이 진공 펌프에 접속되어 상기 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인하는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 28 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 수소 제조 시스템. - 제 29 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로의 시동 펌프는 상기 1차 액체 회로의 액체가 주로 상기 열 사이펀 효과에 의해 순환하면 비활성화되는, 지열 수소 제조 시스템. - 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체는 물 또는 증류수인, 지열 수소 제조 시스템. - 지열 에너지에 의해 구동되는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법으로서,
지열 웰 내에 액체를 공급하고, 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 상기 1차 액체는 열 에너지를 담수화 플랜트로 전달함 -;
상기 가열된 액체를 상기 1차 액체 회로로부터 제 1 터빈 및 제 2 터빈으로 전달하여 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 각각 생성하는 단계; 및
담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하기 위해 상기 제 1 기계적 출력을 발전기로 안내하고, 상기 제 2 기계적 출력을 압축기로 안내하여 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 상기 담수화 플랜트에 염수를 구동하도록 구성된 공급 펌프를 구동하고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 상기 1차 액체 회로를 시동시키기 위한 시동 펌프를 구동하고, 상기 제 3 압축 공기 공급분은 담수를 상기 담수화 플랜트로부터 상기 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시키기 위한 담수 펌프를 구동하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항에 있어서,
상기 제 2 압축기를 제 2 터빈의 제 2 기계적 출력에 의해 구동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 압축기는 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성되는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항에 있어서,
상기 가열된 액체를 상기 1차 액체 회로로부터 제 3 터빈으로 전달하여 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계, 및
상기 제 3 기계적 출력을 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체의 일부를 분리기 내에서 증기로 변환시켜 상기 제 1 터빈 및 제 2 터빈 중 적어도 하나를 구동하는 단계를 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 35 항에 있어서,
상기 분리기로부터의 잔류 가열된 액체를 상기 제 1 터빈으로부터 배기와 조합하여 상기 1차 액체 회로 내의 액체의 온도를 상승시키는 단계를 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 지열 에너지에 의해 구동되는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법으로서,
액체를 지열 웰 내로 공급하고, 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하는 단계 - 1차 회로의 가열된 액체는 열교환기로 공급되어 2차 회로의 작동 매체를 가열하고, 상기 가열된 작동 매체는 담수화 플랜트를 통과하고, 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈 및 제 2 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력 및 제 2 기계적 출력을 각각 생성함 -; 및
담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하기 위해 상기 제 1 기계적 출력을 발전기로 안내하고, 상기 제 2 기계적 출력을 제 1 압축기로 안내하여 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 상기 담수화 플랜트로 구동하도록 구성되고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로를 시동시키고, 상기 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 상기 담수화 플랜트로부터 상기 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시키는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항에 있어서,
상기 제 2 터빈의 제 2 기계적 출력에 의해 제 2 압축기를 구동하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 압축기는 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성되는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항에 있어서,
상기 가열된 액체를 상기 1차 액체 회로로부터 제 3 터빈으로 전달하여 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계, 및
상기 제 3 기계적 출력을 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 지열 에너지에 의해 구동되는 수소 제조용 전해조에 담수를 생성 및 공급하는 방법으로서,
지열 웰 내에 액체를 공급하고, 상기 지열 웰의 웰 헤드로부터 가열된 액체를 인출하여 1차 액체 회로를 형성하는 단계 - 상기 1차 액체는 열 에너지를 담수화 플랜트로 전달함 -;
상기 1차 회로의 가열된 액체를 열교환기로 공급하여 2차 회로의 작동 매체를 가열하는 단계 - 상기 2차 회로의 가열된 작동 매체는 제 1 터빈을 구동하여 제 1 기계적 출력을 생성하고, 상기 1차 액체 회로의 가열된 액체는 제 2 터빈을 구동하여 제 2 기계적 출력을 각각 생성함 -; 및
담수의 전기분해를 통해 수소를 생성하도록 구성된 전해조에 전력을 공급하기 위해 상기 제 1 기계적 출력을 발전기로 안내하고, 상기 제 2 기계적 출력을 압축기로 안내하여 제 1 압축 공기 공급분, 제 2 압축 공기 공급분 및 제 3 압축 공기 공급분 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 압축 공기 공급분은 공급 펌프를 구동하여 염수를 상기 담수화 플랜트로 구동하도록 구성되고, 상기 제 2 압축 공기 공급분은 시동 펌프를 구동하여 상기 1차 액체 회로를 시동시키고, 상기 제 3 압축 공기 공급분은 담수 펌프를 구동하여 담수를 상기 담수화 플랜트로부터 상기 전해조로 펌핑하여 수소 및 산소로 분해시키는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 40 항에 있어서,
상기 제 2 터빈의 제 2 기계적 출력에 의해 제 2 압축기를 구동하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 압축기는 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성되는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 40 항에 있어서,
상기 가열된 액체를 상기 1차 액체 회로로부터 제 3 터빈으로 전달하여 제 3 기계적 출력을 생성하는 단계, 및
상기 제 3 기계적 출력을 상기 전해조에 의해 생성되는 수소를 압축하도록 구성된 제 2 압축기로 안내하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 회로의 작동 매체로부터의 열을 담수 응축기를 통해 인출하여 상기 담수화 플랜트로부터의 담수를 가열한 후에 상기 담수를 상기 전해조에 공급하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 회로의 작동 매체로부터의 열을 염수 응축기를 통해 인출하여 상기 염수를 가열한 후에 상기 염수를 상기 담수화 플랜트에 공급하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 압축기로부터의 제 4 압축 공기 공급분에 의해 회로 펌프를 구동하여 상기 2차 회로 내의 작동 매체를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 회로 내의 작동 매체는 끓는점이 낮은 2원계 유체인, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 46 항에 있어서,
상기 작동 매체는 N-펜탄인, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 37 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 압축기로부터의 제 5 압축 공기 공급분에 의해 해수 펌프를 구동하여 상기 담수화 플랜트로부터 해수를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 압축기로부터의 제 6 압축 공기 공급분에 의해 폐수 펌프를 구동하여 상기 전해조로부터 폐수를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기로부터 상기 공급 펌프, 상기 시동 펌프, 상기 담수 펌프, 상기 회로 펌프, 상기 해수 펌프, 및 상기 폐수 펌프 중 적어도 하나에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 액체 회로 내의 액체는 물 또는 증류수인, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
진공 펌프에 의해 상기 압축기를 통해 주위 공기를 흡인하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 담수화 플랜트의 적어도 하나의 체임버로부터 공기를 흡인하여 상기 진공 펌프의 진공 라인을 통해 상기 체임버 내에 진공을 생성하는 단계를 더 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 터빈, 상기 제 2 터빈 및 상기 제 3 터빈 중 적어도 하나는 스크류 팽창기, 증기 엔진, ORC 터빈, 엔진, 증기 엔진 또는 수차로 치환되는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 터빈, 상기 제 2 터빈 및 상기 제 3 터빈 중 적어도 하나는 일련의 터빈을 포함하는, 담수의 생성 및 공급 방법. - 제 32 항 내지 제 55 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 펌프를 사용하여 염수 공급원으로부터 염수를 펌핑하여 염수를 담수화 플랜트로 공급하는 단계를 더 포함하고, 상기 공급 펌프는 공기 펌프인, 담수의 생성 및 공급 방법.
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