JP2021191893A - クローズドループシステムを用いた地熱資源からの水素生産 - Google Patents
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Abstract
Description
Claims (20)
- 流体を循環させ、垂直状、傾斜状及び/若しくは変曲点で湾曲した傾斜状、又は水平状(同軸構造)であってもよい同軸構造を有するクローズドループダウンボア装置を介して電気エネルギーを加えるシステムであって、地熱資源に井戸が配置され、そこから熱エネルギーが各種流体へ伝達され、ダウンボアの流体の圧力が高いシステムであり、上記システムは、
ポンプ及び/又は熱サイフォンを利用して、外部導管から内部導管へ(又は反対方向へ)ダウンボアの流体を循環させる循環システムであって、上記地熱資源からの熱エネルギーが循環流体へ伝達され、上記流体の重量、上記流体の熱膨張、及び必要に応じて循環流体の圧力を高くするポンプによる追加圧力によってダウンボアの流体の圧力が増加する循環システム;
循環流体に電流を印加する電解システムであって、高温高圧の水がダウンボアに配置され、これを用いて、以下に限定されないがゼロギャップセル等の様々な種類の電解セルのうち1種以上を利用して水素ガス及び酸素ガスを生成する電解システム;
電気分解で生成された水素ガス及び酸素ガスを回収し、これらのガスを圧力下で地表へ送達するガス回収システム;及び
オプションの電動水中ポンプ
を有するシステム。 - 上記電解システムは、カソードにおいて高温水を高圧下で導入し、上記カソードに電気エネルギーを加えて水素(H2)及び水酸化物イオン(OH−)を生成し、水酸化物イオン(OH−)が水性電解質を通ってアノードへ移動して酸素(O2)、水、及び電気エネルギーを生産するよう構成されたダウンボアのアルカリ電解システムを有する、請求項1に記載のシステム。
- アルカリ電解法を用いて水素を生産するプロセスであって、
上記プロセスの工程は、請求項2に記載のシステムを用いてダウンボア(AEダウンボア法)で起こるプロセス。 - 流体柱の高さ、若しくは熱膨張から生じるか、又はクローズドループにおいて別の方法で追加された圧力とともに、上記資源から伝達された熱、又は地表で追加された追加熱エネルギーから超臨界相の水を生成して、そのような超臨界水を、請求項2に記載の装置を用いたAEダウンボア法の電解プロセスへ供給する、請求項3に記載のプロセス。
- 上記電解システムは、カソードにおいて水を高圧下で導入し、上記カソードに電気エネルギーを加えて水素(H2)及び水酸化物イオン(OH−)を生成し、水酸化物イオン(OH−)が水性電解質を通ってアノードへ移動して酸素(O2)、水、及び電気エネルギーを生産することで、未反応の蒸気ストリームにH2を残すよう構成されたダウンボアの固体酸化物電解システムを有する、請求項1に記載のシステム。
- 固体酸化物電解セル法を用いて水素を生産するプロセスであって、
上記プロセスの工程は、請求項5に記載の装置及びシステムを用いてダウンボア(SOECダウンボア法)で起こるプロセス。 - 流体柱の高さ、若しくは熱膨張から生じるか、又はクローズドループにおいて別の方法で追加された圧力とともに、上記資源から伝達された熱、又は地表で追加された追加熱エネルギーから超臨界相の水を生成して、そのような超臨界水を、請求項5に記載の装置及びシステムを用いたSOECダウンボア法の電解プロセスへ供給する、請求項6に記載のプロセス。
- 上記電解システムは、ダウンボアのプロトン交換膜装置及びプロトン交換システムを有し、アノードにおいて電気分解のために水を導入し、そこでプロトン(水素イオン、H+)に分解し、これが上記プロトン交換膜装置の膜を通って移動してカソードに到達し、水素(H2)を形成するとともに、上記膜のアノード側の水に酸素(O2)が残るよう構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 請求項8に記載の装置及びシステムを用いて、ダウンボアのプロトン交換膜法(PEMダウンボア法)で水素を生産するプロセス。
- 流体柱の高さ、若しくは熱膨張から生じるか、又はクローズドループにおいて別の方法で追加された圧力とともに、上記資源から伝達された熱、又は地表で追加された追加熱エネルギーから超臨界相の水を生成して、そのような超臨界水を、請求項8に記載の装置及びシステムを用いたPEMダウンボア法の電解プロセスへ供給する、請求項9に記載のプロセス。
- 流体を循環させ、U字ループ構造を有するクローズドループダウンボア装置を介して電気エネルギーを加えるシステムであって、2つの略垂直な井戸が別の井戸によって接続されており、上記2つの略垂直な井戸又は上記別の井戸の少なくとも一部が地熱資源に配置され、そこから熱エネルギーが上記流体へ伝達され、上記装置内の流体の圧力が高いシステムであり、上記システムは、
ポンプ及び/又は熱サイフォンを利用して、井戸ケーシング又はライナーを介して水含有流体を循環させる循環システムであって、上記地熱資源からの熱エネルギーが循環流体へ伝達され、上記流体の重量、上記流体の熱膨張、及び必要に応じて循環流体の圧力を高くするポンプによる追加圧力によってダウンボアの流体の圧力が増加する循環システム;
循環流体に電流を印加するよう構成された電解システムであって、高温高圧の水を用いて上記AEダウンボア法、SOECダウンボア法、又はPEMダウンボア法で水素ガス及び酸素ガスを生成し、後者2つの方法では電解セル又はゼロギャップ電解セルを使用できる電解システム;
上記水含有流体が水素及び酸素へ完全に変換されるように、クローズドループへの流体の流速と電解反応速度とを制御することで、該流体の地表への再循環流が全く又は断続的にしか存在しないようにするよう構成された制御システム;及び
電気分解で生成された水素ガス及び酸素ガスを回収し、これらのガスを圧力下で地表へ送達するガス回収システム
を有するシステム。 - 請求項11に記載のシステムを用いて、AEダウンボア法、SOECダウンボア法、又はPEMダウンボア法で水素を生産するプロセス。
- 流体柱の高さ、若しくは熱膨張から生じるか、又はクローズドループにおいて別の方法で追加された圧力とともに、上記資源から伝達された熱、又は地表で追加された追加熱エネルギーから超臨界相の水を生成して、そのような超臨界水を電解プロセスへ供給する、請求項12に記載の水素を生産するプロセス。
- 流体を循環させ、U字ループ構造を有するクローズドループダウンボア装置を介して電気エネルギーを加えるシステムであって、井戸が地熱資源に配置され、そこから熱エネルギーが上記流体へ伝達され、上記装置内の流体の圧力が高いシステムであり、上記システムは、
ポンプ及び/又は熱サイフォンを利用して、井戸ケーシング又はライナーを介して水含有流体を循環させる循環システムであって、上記地熱資源からの熱エネルギーが循環流体へ伝達され、上記流体の重量、上記流体の熱膨張、及び必要に応じて循環流体の圧力を高くするポンプによる追加圧力によってダウンボアの流体の圧力が増加する循環システム;
循環流体に電流を印加するよう構成された電解システムであって、高温高圧の水が配置され、これを用いて、上記AEダウンボア法、SOECダウンボア法、又はPEMダウンボア法で水素ガス及び酸素ガスを生成し、後者2つの方法では従来の電解セル又はゼロギャップセルを使用できる電解システム;
上記水含有流体が水素及び酸素へ完全には変換されないように、クローズドループへの流体の流速と電解反応速度とを制御することで、水が地表へ連続的に流れ、クローズドループシステムを介して再循環できるよう構成された制御システム;及び
電気分解で生成された水素ガス及び酸素ガスを回収し、これらのガスを圧力下で地表へ送達するガス回収システム
を有するシステム。 - 請求項14に記載のシステムを用いて、AEダウンボア法、SOECダウンボア法、又はPEMダウンボア法で水素を生産するプロセス。
- 流体柱の高さ、若しくは熱膨張から生じるか、又はクローズドループにおいて他の方法で追加された圧力とともに、上記資源から伝達された熱、又は地表で追加された追加熱エネルギーから超臨界相の水を生成して、そのような超臨界水を電解プロセスへ供給する、請求項14に記載の水素を生産するプロセス。
- 流体を循環させ、同軸構造を有するクローズドループダウンボア装置を介して化学反応を引き起こすシステムであって、井戸が地熱資源に配置され、そこから熱エネルギーが上記流体へ伝達され、上記装置内の流体の圧力が高いシステムであり、上記システムは、
流体が内管を下向きに、上記内管を囲む環状部を上向きに流れるチューブインチューブアセンブリであってもよいクローズドループ配管システムを介してポンプ及び/又は熱サイフォンを利用して塩化銅(CuCl2)及び水を含有する流体を循環させる循環システムであって、上記クローズドループ配管システムは、ダウンボア熱交換器として機能し、井戸において地熱資源の深部へと配置され、上記地熱資源からの熱エネルギーが循環流体へ伝達され、上記流体の重量、上記流体の熱膨張、及び必要に応じて循環流体の圧力を高くするポンプによる追加圧力によってダウンボアの流体の圧力が増加し、該圧力によって上記化学反応が向上する循環システム;
上記CuCl2循環システムにおいて加水分解プロセスを可能にするよう構成されたシステムであって、それにより、液体CuCl2及び水が高温高圧で反応してHCl及び固体Cu2OCl2を形成し、該反応に続いて、固体Cu2OCl2が液体CuCl2及びO2に変換される吸熱分解反応、固体CuCl2及びCl2ガスから固体Cu2Cl2を形成する発熱塩素化反応、並びにHCL2がH2ガス及びCl2ガスに分解される電解水素生成反応が起こるシステム;
上記CuCl2循環システムに螺旋状に巻き付けられていてもよいし、あるいは別の方法で固定されている別のクローズドループ配管システムでメタン(CH4)を循環させる循環システムであって、発熱部分酸化(POX)反応が起こることで、CH4及びO2が燃焼してCOガス及びH2ガスを形成する循環システム;及び
POXダウンボア法で水素を生成するように上記発熱POX反応用の上記螺旋状クローズドループシステムを構成する代わりとして、螺旋状クローズドループに追加できる水と、その内部を循環するCH4とで吸熱自己熱改質反応法(ARダウンボア法)において余剰熱を用いて水素を生成できるよう構成された装置であって、それによりCH4、水、及びO2が反応して同様にCOガス及びH2ガスを形成する装置
を有するシステム。 - 請求項17に記載の装置を用いてそこに記載されたようにして、CuCl2の循環、該循環サイクルにおけるCuCl2の加水分解、固体Cu2OCl2を液体CuCl2及びO2に変換する分解反応、固体CuCl2及びCl2ガスから固体Cu2Cl2を形成する発熱塩素化反応、並びにHCL2をH2及びCl2に分解する電解水素生成反応によって水素を生産するプロセス。
- 上記システムは、生産井に配置され、井戸ケーシングと、上記装置及びシステムを含む上記クローズドループケーシング又はライナーとの間にある環状部を上昇する地熱資源又は他の資源から該資源由来の熱水及び/又は蒸気を共生産することにより、上記資源由来の熱エネルギーを供給して上記クローズドループ装置及びシステムへ伝達し、上記熱水及び/又は蒸気を、潜在的には液体熱水から水蒸気への相変化を伴って膨張させ、地表へと上昇させるよう構成されており、いずれも当該請求項に記載の装置及びシステムと一体化される、請求項1、2、5、8、11、14、及び17のいずれか1項に記載のシステム。
- 上記地熱資源由来の熱水及び蒸気が請求項19に記載の装置及びシステム内を上昇して、上記資源由来の熱エネルギーを供給して上記クローズドループ装置及びシステムへ伝達し、上記熱水及び/又は蒸気を、潜在的には液体熱水から水蒸気への相変化を伴って膨張させ、地表へと上昇させて送達することで、既存の地表地熱発電プラントへ供給できる地表の蒸気供給ラインと一体化させて電力を生産するか、別の蒸気タービン及び発電機を用いて電力を生産するか、より低温の流体からの熱を電力へ変換するシステム(有機ランキンサイクルシステム等)と一体化させて電力を生産するか、当該請求項に記載のプロセス及び方法のために循環流体を予熱するのに使用するか、あるいは当該請求項に記載のプロセス及び方法で使用される水又は電解質としてリサイクルする、請求項3、4、6、7、9、10、12、13、15、16、及び18のいずれか1項に記載のプロセス。
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