(57)【要約】  発電方法が開示されている。この方法は、有機物を含む廃水ストリームを受け取ること、及び該廃水ストリームを、そこに含まれる有機物を分解してバイオガスを生成する嫌気性消化槽に通すことを含む。前記廃水ストリームの液体含量は、該ストリームが嫌気性消化槽に入る前に、該廃水ストリームを浸透圧発電ユニットに通すことによって、低減される。該ストリームは、水は通過させるが塩は通過させない半透膜の一方の側に通過させ、前記廃水ストリームよりも高い塩分濃度の水ストリームを前記膜の他方の側に通過させて、前記より高い塩分濃度の水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換する。【選択図】図１
2019508240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記工程を含む発電方法：
−有機物を含む廃水ストリームを受け取る工程、
−廃水ストリームを、そこに含まれる有機物を分解してバイオガスを生成する嫌気性消化槽に通す工程、ここで
前記廃水ストリームの液体含量は、該ストリームが嫌気性消化槽に入る前に、該廃水ストリームを浸透圧発電ユニットに通すことによって、低減され、該ユニットにおいては、該ストリームは、水は通過させるが塩は通過させない半透膜の一方の側に通過させ、前記廃水ストリームよりも高い塩分濃度の水ストリームを前記膜の他方の側に通過させて、前記より高い塩分濃度の水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換する。
【請求項２】
更に、地熱地層から温塩水ストリームを抽出し、その塩水ストリームをより高い塩分濃度の水ストリームとして用いることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
温塩水ストリームが、少なくとも４５℃の温度を有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
温塩水ストリームが、少なくとも５５℃の温度を有する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
更に、温塩水ストリームから熱エネルギーを抽出することを含む、請求項２〜４に記載の方法。
【請求項６】
より高い塩分濃度の水ストリームが、少なくとも１０重量％の塩分含量を有する請求項１〜５のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項７】
より高い塩分濃度の水ストリームが、少なくとも１５重量％の塩分含量を有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
廃水ストリームが、浸透圧発電ユニットを通過する前に、５重量％までの固形分含量を有する請求項１〜７のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項９】
廃水ストリームが、浸透圧発電ユニットを通過する前に、０．５〜１．５重量％の範囲内の固形分含量を有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
廃水ストリームが、浸透圧発電ユニットを通過した後に、４〜８重量％の範囲内の固形分含量を有する請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
浸透圧発電ユニットによって生成された電気を廃水処理プロセスの他の工程に電力を供給するために使用する請求項１〜１０のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１２】
廃水が、地方自治体又は産業の廃水である請求項１〜１１のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１３】
廃水が、下水である請求項１〜１２のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１４】
浸透圧発電ユニットが、水は通過させるが塩は通過させない半透膜をそれぞれ含む、１つ以上の浸透ユニットを含む請求項１〜１３のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１５】
１つの浸透ユニットからのアウトプットストリームが、第２の浸透ユニットのためのインプットストリームとして使用される請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
下記を含む発電システム：
−廃水ストリームへの接続、
−塩水ストリームへの接続、
−嫌気性消化槽内で汚泥を分解して発電するように配置されたバイオガス発電ユニット、及び
−該塩水ストリームと該廃水ストリームとの間の塩分濃度の差異を用いる圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して、電気を発生させるように配置された浸透圧発電ユニット、ここで
当該システムは、浸透圧発電ユニットによって濃縮された廃水ストリームのアウトプットを、汚泥として使用するためにバイオガス発電ユニットに通すように配置される。
【請求項１７】
下記工程を含む発電方法：
−地熱地層から温塩水ストリームを抽出する工程；
−有機物を含有する廃水ストリームを得る工程；
−温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換し、及び／又は温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを用いて、廃水ストリームの温度を上昇させる工程；
−前記塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換し、（i）浸透圧発電プロセスの低塩分フィードストリームとしての廃水及び（ii）浸透圧発電プロセスの高塩分フィードストリームとしての塩水ストリームを用いて、前記廃水ストリームの水分含量を減少させる工程；及び
−前記浸透圧発電プロセスから生じる濃縮された廃水を、前記廃水中に含まれる有機物の分解によってバイオガスが発生する嫌気性消化槽に送る工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気を発生させる方法に関する。特に、本発明は、廃水（wastewater）及び塩水ストリーム(saline streams)を用いる発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、化石燃料に頼らない、新規で再生可能なエネルギー源に、多くの努力が向けられている。
【０００３】
再生可能エネルギー研究の１つの分野は、酸素の不在下で有機物（organic matter）の分解によって可燃性ガス（例えばメタン）が生成されるバイオガスの分野である。次いで、その可燃性ガスをエネルギー源として使用することができる。有機物の発生源には、産業廃水や地方自治体の廃水、例えば下水（sewage）が含まれる。
【０００４】
そのような別の研究領域は、圧力遅延浸透（pressure retarded osmosis）（ＰＲＯ）として知られるプロセスである。このプロセスでは、より濃縮された溶液から、より濃縮されていない溶液を分離するために半透膜が使用される。この膜は、浸透によって、より低濃度の（低浸透圧）溶液から、より高濃度の（高浸透圧）溶液に、溶媒を通過させ、これにより、膜の溶媒が拡散する側の圧力が上昇する。この圧力は電気を発生させるために利用できる。少数のＰＲＯプラントが世界各地で稼動しているが、これらは、一般に、浸透現象の駆動体（driver）として、塩分濃度の差異を利用する。典型的には、より低濃度溶液のフィードストリームとして川や湖からの淡水を、そしてより高濃度溶液として海水を、使用する。Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358は、ＰＲＯを説明するレビュー記事である。典型的には、現在までのＰＲＯスキームは、海水と河川水の混合を使用しており、パイロット規模のプラントでは、達成される電力密度（power densities）が低いため、そのプロセスは経済的でないことが判明している。約５Ｗ／ｍ２膜の電力密度（a power density）が、ＰＲＯが経済的に実行可能になり得る発電レベルであることを示していることが、示唆されている。実験室外では、既存の膜技術を用いてこのレベルの電力密度を河川水／海水混合方式で達成することは一般的に不可能であった。
【０００５】
浸透現象を含むプロセスにおいて、地下地層（underground formations）中に見出されるエネルギーを利用するための多くの試みがなされている。ＷＯ２０１３／１６４５４１は、より濃縮された溶液が「生産水（production water）」であり、より濃縮されていない溶液が淡水又は海水である、直接浸透（direct osmosis）による発電方法を記述している。生産水は、炭化水素製造中に炭化水素ストリームから分離して得られる水である。ＷＯ２０１３／１６４５４１は、また、地下地層から得られる塩水ストリームがより濃縮された溶液として使用できることを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／１６４５４１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、塩水ストリーム(saline streams)及び／又は廃水ストリーム(wastewater streams)中に潜在するエネルギーの利用可能な最大量を得ている公知のプロセスは存在していない。我々は、ここに、塩水ストリーム及び廃水ストリームからのエネルギー抽出の効率を高めることができるプロセスを見いだした。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの側面において、本発明は、下記工程を含む発電方法を提供する：
−有機物（organic matter）を含む廃水ストリームを受け取る工程、
−廃水ストリームを、そこに含まれる有機物を分解してバイオガスを生成する嫌気性消化槽（an anaerobic digester）に通す工程、ここで
前記廃水ストリームの液体含量は、該ストリームが嫌気性消化槽に入る前に、該廃水ストリームを浸透圧発電ユニット（an osmotic power unit）に通すことによって、減少されており、該ユニットにおいては、該ストリームは、水は通過させるが塩は通過させない半透膜の一方の側に通過させ、前記廃水ストリームよりも高い塩分濃度の水ストリームを前記膜の他方の側に通過させて、前記より高い塩分濃度の水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換する。
【００１０】
他の側面において、本発明は、下記を含む発電システムを提供する：
−廃水ストリームへの接続、
−塩水ストリームへの接続、
−嫌気性消化槽内で汚泥（a sludge）を分解して発電するように配置されたバイオガス発電ユニット（a biogas power unit）、及び
−該塩水ストリームと該廃水ストリームとの間の塩分濃度の差異を用いる圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して、電気を発生させるように配置された浸透圧発電ユニット、ここで
当該システムは、浸透圧発電ユニットによって濃縮された廃水ストリームのアウトプットを、汚泥として使用するためにバイオガス発電ユニットに通すように配置される。
【００１１】
他の側面において、本発明は、下記工程を含む発電方法を提供する：
−地熱地層（a geothermal formation）から温塩水ストリームを抽出する工程；
−有機物を含有する廃水ストリームを得る工程；
−温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを電気に変換し、及び／又は温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーを用いて、廃水ストリームの温度を上昇させる工程；
−前記塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換し、（i）浸透圧発電プロセスの低塩分フィードストリームとしての廃水及び（ii）浸透圧発電プロセスの高塩分フィードストリームとしての塩水ストリームを用いて、前記廃水ストリームの水分含量を減少させる工程；及び
−前記浸透圧発電プロセスから生じる濃縮された廃水を、前記廃水中に含まれる有機物の分解によってバイオガスが発生する嫌気性消化槽に送る工程。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】廃水ストリームが最初に浸透圧発電ユニットを通過し、次いでバイオガス発電ユニットに入る、本発明の一実施態様の概略図を示す。
【図２】温塩水地熱ストリームが、浸透圧発電ユニットを通過する前に、熱交換器を通過する、本発明の代替的実施態様の概略図を示す。
【図３】複数の浸透ユニットが使用されている図１の変形例を示す。
【図４】代替的インプットストリームを用いた図３の変形例を示す。
【図５】代替的アウトプットストリームを用いた図４の変形例を示す。
【図６】浸透圧発電ユニットを示す。
【図７】バイオガス発電ユニットを示す。
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明方法は、廃水ストリームを用いて、エネルギー発生効率を高めることができる。本発明方法は、廃水ストリーム中に存在する有機物を分解してバイオガスを生成する前に、浸透圧発電プロセスにおいてより低い塩分濃度のストリームとして廃水を使用する。この一連の廃水使用は、バイオガスプロセスの効率を高めるのに役立つ。
【００１４】
産業廃水及び／又は家庭廃水例えば下水は、バイオガス生成プロセスに使用するための有機材料の有用な供給源を提供する。しかしながら、大部分の廃水中に存在する有機物質の量が、液体成分と比べて比較的少ないことは、廃水の単位体積当たりのエネルギー生産が比較的低いことを意味する。
【００１５】
追加の発電手段（浸透圧発電ユニット及び／又は熱発電ユニット）をバイオガスプロセスに含めることによって予想できる効率の増加と同様に、本発明のプロセスは、廃水処理プロセスの効率をさらに高めるために、互いに補完する。
【００１６】
浸透圧発電ユニットの低塩分フィードストリームとして廃水を使用することは、浸透圧発電プロセス（即ち、半透膜を横切る水の移動）の自然な帰結として、廃水の水分含量を低減させる。これにより、廃水中の有機物の濃度が増加し、それによって、生成可能な廃水の単位体積当たりのエネルギー量が増加する。バイオガスプロセスの効率は、他の手段を使用して廃水を濃縮するのに必要な時間及び／又はエネルギーが減少するにつれて、対応して、増加する。
【００１７】
浸透圧発電プロセスの高塩分フィードが地熱源から抽出された温塩水ストリームである場合、温塩水ストリーム中に存在する熱エネルギーは、廃水の温度を上昇させるために使用することができ、それは、反応速度を増加させることによって、バイオガスプロセスの効率をも上昇させる。
【００１８】
本発明方法は、廃水ストリームを使用する。廃水ストリームは、有機物を含む産業又は地方自治体の廃水ストリームであってもよい。例えば、廃水ストリームは、産業プロセスからの下水又は廃水、例えば、酪農場、醸造所、バイオテクノロジー又は食品製造業者からの、高い有機物（例えばタンパク質）含量を有する下水又は廃水であってもよい。廃水ストリームの固形分含量は、典型的には、０．５重量％〜１．５重量％の範囲内である。場合によっては、廃水ストリームの固形分含量は５重量％までであってもよい。浸透圧発電ユニットに廃水ストリームを通過させることにより、固形分を２倍以上に増加させることができる。浸透圧発電ユニットを通過した後の廃水ストリームの固体分含量は、４〜８重量％の範囲内であってもよい。浸透ユニットを通過した後の廃水ストリームの固形分含量は、少なくとも４重量％、好ましくは少なくとも６重量％、好ましくは少なくとも８重量％であってもよい。浸透圧発電ユニットを通過した後の廃水ストリームの固形分含量は、１０重量％までであってよい。
【００１９】
バイオガス発電ユニットは、酸素の不在下で有機物を分解して、燃料として使用するための可燃性ガス、特にメタンを生成するためのユニットとして定義することができる。任意の適切なバイオガス発電ユニットを本発明方法において使用することができる。そのようなユニットの重要な特徴は、有機物が分解される嫌気性消化槽の存在である。そのような嫌気性消化槽は市販されており、任意の適切な種類、例えばバッチ式又は連続式、一段階式又は多段階式、中温性又は好熱性、を使用することができる。嫌気性消化槽と同様に、バイオガス発電ユニットは、バイオガスを電気に変換する手段を含むことができる。典型的には、この手段は内燃機関、例えば発電機に接続されたタービンであるが、任意の適切な手段を使用することができる。
【００２０】
バイオガス発電ユニットへのインプットは、汚泥として知られている濃縮された廃水ストリームであってもよい。汚泥の固形分含量は、４〜８重量％の範囲内であってもよい。汚泥の固形分含量は、少なくとも４重量％、好ましくは少なくとも６重量％、好ましくは少なくとも８重量％であってもよい。汚泥の固形分含量は、１０重量％までであってもよい。本発明は、廃水ストリームの水分含量を減少させるために、浸透圧発電プロセスを使用する。関与するストリームのプロセスパラメータ及び特性、及び汚泥の所望の特性に依存して、浸透圧発電ユニットを通過した後に、廃水を汚泥に変換するために廃水ストリームの更なる処理が必要とされ得る。
【００２１】
本発明方法は、塩水ストリームを使用する。塩水ストリームは、地熱地層、塩地層、又はその他の高い塩分源、例えば海水、又は脱塩プラントからの塩水、から得ることができる。そのストリームは、従来の技術、例えば掘削技術又は溶解採鉱（solution mining）技術を用いて、地面から抽出され、一般に、浸透圧発電を実施する前に、あらゆる必要な前処理工程の対象となる。例えば、ストリームの正確な性質に応じて、他の従来のプロセスと同様に、固体物質を除去するための濾過が必要な場合がある。
【００２２】
塩水ストリームの塩分含量は、飽和までのいかなるものであってもよい。好ましくは、塩分含量は、少なくとも１０重量％、好ましくは少なくとも１５重量％、特に少なくとも２０重量％、特に少なくとも２５重量％である。塩水ストリームは、塩化ナトリウムが優勢である、広範で多種多様な溶解塩を含有することができること、「塩分含量」は全塩分含量を指すことが理解されるであろう。このようなストリーム中に存在する塩の正確な性質は重要ではない。
【００２３】
同様に、（より）高い塩分及び（より）低い塩分という用語は、本明細書では、相当する「塩分含量」を有するストリームを指すために使用される−このようなストリーム中に存在する塩の正確な性質は重要ではない。
【００２４】
浸透圧発電ユニットは、浸透を利用して、潜在的な浸透エネルギーを電気に変換するユニットである。任意の適切な浸透圧発電ユニットを本発明方法で使用することができる。そのようなユニットの重要な特徴は、水の通過は可能であるが、溶解した塩の通過は許容しない半透膜の存在である。このような膜は市販されており、任意の適切な膜を使用することができる。さらに、新規なタイプの膜、例えば、水の通過は可能であるが他の物質を通さないタンパク質であるアクアポリンを含む、脂質又は両親媒性ポリマーマトリックスに基づいた膜、を使用することができる。このような膜は、例えば、ＷＯ２００４／０１１６００、ＷＯ２０１０／０９１０７８、ＵＳ２０１１／００４６０７４及びＷＯ２０１３／０４３１１８に記載されている。その他の新規なタイプの膜としては、グラフェンをベースとする膜、例えば、Cohen-Tanugi et al, Nano Lett. 2012, 12(7), pp. 3602-3608及びO’Hern et al, Nano Lett. 2014, 14(3), pp. 1234-1241に記載されているものを、包含する。２つ以上の膜が存在してもよく、異なるタイプの膜の組み合わせが用いられてもよい。従って、浸透圧発電ユニットは、それぞれの浸透ユニットが半透膜を含む２つ以上の浸透ユニットを含むことができる。浸透圧発電ユニットは、少なくとも１つの膜と共に、浸透によって生成された圧力又は流れを電気に変換する手段を含むであろう。典型的には、この手段は、発電機に接続されたタービンであろうが、任意の適切な手段を使用することができる。
【００２５】
塩水フィードストリームと共に、浸透圧発電は、その塩水ストリームより低い塩分濃度を有する水ストリームであるフィードストリームを必要とする。本発明においては、このより低い塩分濃度のストリームは、産業又は地方自治体の供給源から得られる廃水、例えば下水である。本発明方法の経済性は、塩水の供給源が、廃水処理プラントに隣接して設置されている場合に特に有利である。本明細書を通じて、文脈上他の意味を必要としない限り、「より低い塩分濃度」は塩分濃度ゼロを含むと理解されるべきである。
【００２６】
従って、浸透工程への初期のインプットは、１つのより高い塩分濃度のストリーム（塩水ストリーム）と１つのより低い塩分濃度のストリーム（廃水）である。膜を通過した後、第１のストリーム（初期のより高い塩分濃度）は塩分濃度が減少し、第２のストリーム（初期のより低い塩分濃度）は塩分濃度が増加するであろう。膜の第１の通過分からのアウトプットストリームは、平衡時において、両者とも、元の塩水ストリームよりも低い塩分濃度を有し、及び元のより低い塩分濃度のストリームよりも高い塩分濃度を有し、それらの２つのストリームは等しい塩分濃度を有するようになるであろうが、実際には達成されそうにない。従って、いずれかのアウトプットストリームは、元の膜の第２の通過分用の第１のストリーム又は第２のストリームのいずれかとして、又は第２の膜の第１のストリーム又は第２のストリームのいずれかとして、再利用することができる。これらの再利用ストリームは、単独で使用されてもよく、又は他のインプットストリームと合流されてもよい。地熱地層からの温塩水ストリーム中の高濃度の塩は、多段階浸透圧発電の利用を容易にすることができる。各工程は、各通過分の初期インプットストリーム間の塩分濃度の差に依存して、異なる圧力及び／又は流量（flux）の設定を有することができる。このように圧力及び／又は流量の設定を調整することは、特に地熱地層からの温塩水ストリームに多数の工程が使用される場合に、プロセスの効率を高めることができる。浸透ユニットからの流出ストリームが、初期のより低い塩分濃度のインプットストリームより高い塩分濃度を有する限り、追加の浸透ユニットを稼働することが可能である。最適サイクル数は、ストリームの初期内容物、膜の効率、及び選択された流速に依存するだろう。
【００２７】
本発明方法の効率は、塩水ストリームの初期の温度及び圧力、並びに該ストリームが含む塩の量及び性質に依存するだろう。方法の効率を決定するもう１つの重要な特徴は、半透膜の性能であり、最適化は、膜を通って得られる水の流量と、膜が塩を排除できる効率との２つの要因の組み合わせに依存するだろう。前記した、複数の浸透ユニットの使用も又、方法の全体的な効率に影響し得る。
【００２８】
塩水ストリームは、地熱地層から抽出された温塩水ストリームを包含し得る。地熱地層は、少なくとも４５℃、好ましくは少なくとも５５℃の温度を有する温塩水ストリームを生じ得る。例えば、地熱地層は、４５℃〜７０℃の間の温度を有する温塩水ストリームを生じ得る。
【００２９】
塩水ストリームが温塩水ストリームである場合、この方法は、そのストリームから熱エネルギーを抽出することを含むことができる。そのストリームの熱エネルギーは、廃水ストリームの温度を上昇させるために使用され得る。そのストリームの熱エネルギーは、廃水が浸透圧発電ユニットを通過する前、通過中又は通過後に、廃水ストリームの温度を上昇させるために使用されてもよい。廃水ストリームの温度を上昇させると、反応時間を早めることによって、後続のバイオガス生成プロセスの効率を高めることができる。逆に、熱エネルギーを廃水ストリームに移すことによって塩水ストリームの温度を低下させることは、浸透膜の効率を増加させ得る。代替的に、温塩水ストリームの熱エネルギーを用いて電気を発生させることができる。
【００３０】
ストリームの熱エネルギーは、伝導熱伝達を利用して廃水ストリームを加熱するために使用され得る。廃水ストリームと塩水ストリームとの間の伝導熱伝達は、熱交換器において、例えば熱発電ユニットに含まれる熱交換器を介して行うことができる。廃水ストリームと塩水ストリームとの間の伝導熱伝達は、浸透圧発電ユニット内で、例えば膜を横切って、又は内蔵の熱交換器を介して行われ得る。代替的に、温塩水ストリームの熱エネルギーは、廃水ストリームを間接的に加熱するために使用される電気を発生させるために用いることができる。
【００３１】
そのプロセスは、（i）浸透圧発電ユニットの上流の温塩水ストリームの一部と（ii）浸透圧発電ユニットの下流の廃水ストリームの一部との間で熱エネルギーを移動させることを含むことができる。
【００３２】
本発明は、温塩水ストリームを熱発電ユニットに通すことを含むことができる。熱発電ユニットは、熱エネルギーを電気に変換するユニットとして定義することができる。地熱ストリーム中に含まれる熱エネルギーを電気に変換するために、任意の適切な手段を使用することができる。例えば、該ストリームは、熱交換器を備える熱発電ユニットを通過することができる。代替的に、特にストリームが非常に高温高圧の場合、熱発電ユニットは蒸気発生器を備えていてもよい。地熱ストリームからの蒸気は、蒸気発生器を駆動するために直接使用されてもよい。液相又は気相のいずれかに、またはその両方に存在し得る温ストリームを取り扱う従来の手段は周知であり、このような手段はいずれも本発明で使用され得る。熱交換器の使用は、多くの状況において好ましく、特に、地熱地層から出てくる温塩水ストリームの初期温度が１５０℃未満の場合に好ましい。温塩水ストリームを熱発電ユニットに通すことにより、前記ストリームの温度を少なくとも５０％低下させることができる。例えば、熱発電ユニットを通過させることにより、該ストリームの温度を４５℃〜７０℃の間から１５℃〜２０℃の間までに低下させることができる。
【００３３】
熱発電ユニットが地熱地層と浸透圧発電ユニットへの入口との間の流路上に配置されている場合、熱発電ユニットのアウトプットは冷却された塩水ストリームであり、これは浸透圧発電ユニットに送られる。より冷たい塩水ストリーム（地熱地層からの温ストリームと比較して）は、地熱地層から得られた温ストリームよりも、浸透圧発電プロセスにより適しているかもしれない。例えば、より冷たい塩水ストリームは、浸透膜の効率及び／又は膜の寿命の増加をもたらし得る。浸透圧発電ユニットが地熱地層と熱発電ユニットへの入口との間の流路上に配置されている場合、浸透圧発電ユニットのアウトプットは、塩分濃度の減少した温ストリームであり、これは熱発電ユニットに送られる。浸透圧発電プロセスの間に生じる温ストリームの塩分濃度の減少は、熱発電プロセス中に温度が降下する故の固体塩の沈殿を減少させ、それにより汚染を低減し、及び／又は熱発電プロセスの効率を増加させることを、意味するだろう。
【００３４】
図１に、本発明の一実施態様を概略的に示す。図１において、塩水ストリーム１、例えば溶解採鉱法を用いて塩地層から抽出された塩水ストリームを、１つ以上の前処理工程２に通し、得られたストリーム３を浸透圧発電ユニット４に送りり、そこで、水は通過させるが塩は通過させない半透膜（図示せず）の一方の側に流れるようにされる。ストリーム１及び３より低い塩分濃度の廃水ストリーム８は、それは例えば下水であってよいが、１つ以上の前処理工程９に通され、得られたストリーム１０を浸透圧発電ユニット４に送り、そこで、半透膜の他方の側に流れるようにされる。浸透圧発電ユニット４内では、ストリーム１０から半透膜を介してストリーム３中に水が流れて、密閉された空間内の容積の増加により圧力が上昇し、この過剰圧力は、図示しない従来の手段によって、最終的に電気に変換される。ストリーム１０及び３の間の水の移動は、又ストリーム１０の水分含量を減少させる。浸透圧発電ユニット４からのアウトプットは、膜の廃水側からの第一の流出ストリーム５及び膜の塩水側からの第二の流出ストリーム６を形成する。第二の流出ストリーム６は、必要に応じて、例えばストリーム１が抽出された地熱地層中への再注入、又は例えば海、川又は湖である水源中への再導入によって、処理される。第一の廃水流出ストリーム５は、バイオガス発電ユニット７に送られ、ここで嫌気性消化槽に流入し、分解されて例えばメタンが生成され、次いで、それは図示しない従来の手段によって電気に変換される。消化物（digestate）ストリーム１１は、バイオガス発電ユニットから出て、必要に応じて廃棄することができる。図１の塩水ストリームは、溶解採鉱プロセスの一部として、塩地層、例えば塩ドーム又は岩塩地層から抽出することができる。
【００３５】
図２に、代替的な実施態様を示す。同様の参照符号は同様の要素を示す。図２において、地熱源からの温塩水ストリーム１は、１つ以上の前処理工程２に通され、得られたストリーム１８は熱交換器１９に通される。熱交換器１９では、図示しない従来の手段によって熱エネルギーが抽出され、最終的に電気に変換され、温塩水ストリーム１８は冷却され、冷却された塩水ストリーム３として流出する。ストリーム３は浸透圧発電ユニット４に通され、そしてプロセスの残りは、図１について上述されたとおりである。
【００３６】
代替的な実施態様において、図示しないが、温塩水ストリームは、先ず浸透圧発電ユニットに通され、次いで熱交換器に通される。
【００３７】
図３は、本発明の発電システムにおいて、浸透圧発電ユニット４が直列に接続された複数の浸透ユニット４ａ、４ｂ及び４ｃを含む、図１のプロセスの変形を示す。図３において、図１に示した要素と同様の要素には同様の参照符号を付している。ここでは、図１の実施態様と異なる図３の実施態様の要素のみについて説明する。各浸透ユニット４ａ、４ｂ及び４ｃは、水の通過は可能であるが、塩の通過は不可能である半透膜（図示せず）を含む。元の高い塩分濃度のストリーム３は、半透膜の一方の側に流れ、一方、より低い塩分濃度の廃水ストリーム１０は他方の側に流れる。元の廃水ストリーム１０の水分含量より低い水分含量を有する、浸透ユニット４ａからのアウトプットストリーム５ａは、第２の浸透ユニット４ｂに供給され、そこで半透膜の一方の側を通過する。高い塩分濃度の第２のインプットストリーム３ｂは、１つ以上の前処理工程２を通過した後の塩水ストリーム１から得られる。ストリーム５ａと３ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム１０と３ａとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。元の廃水ストリーム８よりも高い塩分含量／低い水分含量を有する浸透ユニット４ｂからのアウトプットストリーム５ｂは、第３の浸透ユニット４ｃに供給され、そこで、更に高い塩分濃度のインプットストリーム３ｃからは、半透膜の他方の側を通過する。ストリーム５ｂと３ｃとの塩分濃度の差は、ストリーム１０と３との塩分濃度の差又はストリーム５ａと３ｂとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。図３のプロセスからのアウトプットストリームは、高塩分流出ストリーム６ａ、６ｂ、６ｃであり、これらのストリームは、必要に応じて処理することができる。廃水ストリームの最終アウトプット５ｃは、図１で説明したように、バイオガス発電ユニット７に通すことができる。
【００３８】
図４は、比較的低い塩分濃度の廃水のインプットストリーム１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが、別々のインプットストリーム８ａ、８ｂ及び８ｃとして供給され、それぞれ１つ以上の前処理工程９ａ、９ｂ及び９ｃを受ける、図３の変形例を示す。各浸透ユニット４ａ、４ｂの高塩分アウトプット６ａ、６ｂは、膜の高塩分側で使用するために次の浸透ユニット４ｂ、４ｃに供給される。
【００３９】
図５は、アウトプットストリームが異なる方法で処理される、図４の変形例を示す。浸透ユニット４ａからの流出ストリーム５ａ及び６ａが合流され、合流されたストリームの少なくとも一部が、浸透ユニット４ｂへのインプットストリーム１２として供給される。合流されたストリーム１２は、元のインプットストリーム３の塩分含量よりも低い塩分含量を有し、ストリーム１２とストリーム１０ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム３と１０ａとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。同様に、浸透ユニット４ｂからの流出ストリーム５ｂ及び５ｂが合流され、合流されたストリームの少なくとも一部が、浸透ユニット４ｃへのインプットストリーム１３として供給される。浸透ユニット５ｃの低塩分アウトプット５ｃは、次いで、図１で説明したように、バイオガス発電ユニット７に通すことができる。
【００４０】
図３、４及び５は、それぞれが半透膜を含む３つの浸透ユニットからなる浸透圧発電ユニットを示していると理解されるだろうが、任意の適切な数のユニットを使用することができ、その選択は技術的及び経済的な要因の組合せによって、決定される。一般に、塩水ストリーム１の初期の塩分濃度が高いほど、使用可能な浸透ユニットの数が多くなる。
【００４１】
図６は、図１の浸透圧発電ユニット４の更なる詳細を示す。例えば、地熱塩地層源（例えば、図１のストリーム３であってもよい）からの塩水インプットストリーム２０は、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜２２を含む浸透ユニット２１に通され、膜２２の一方の側に流れる。ストリーム２０よりも低い塩分濃度である廃水ストリーム２３（例えば、図１のストリーム１０であってもよい）は、浸透ユニット２１に入って、膜２２の他方の側に流れる。矢印２４は、膜２２を横切る浸透による水輸送の方向を示す。この時点でより少ない水を含む、元のインプットストリーム２３からなるアウトプットストリーム２５は、浸透ユニット２１を出る。この時点でより低濃度の塩（ストリーム２３からの追加的水の存在による）を含む、元のインプットストリーム２０からなるアウトプットストリーム２６は、発電機２８を駆動して電気を生成するタービン２７を介して、浸透ユニット２１を出る。
【００４２】
図７は、図１のバイオガス発電ユニット７の更なる詳細を示す。汚泥ストリーム３３、例えば下水汚泥（例えば、図１のストリーム５であってもよい）は、バイオガス発電ユニット３２に通され、その中に含まれる２つの嫌気性消化槽３４の一方又は他方に流れる。気密性の嫌気性消化槽３４内で、微生物は、廃水中に含まれる有機物質をバイオガス（例えば、メタン及び二酸化炭素）及び消化物に変換する。次いで、バイオガスストリーム３６は、バイオガスを電気及び／又は熱に変換するために、内燃機関３７例えばガスタービンに送られる。バイオガスは、必要に応じて使用できる電源であることが理解されよう。消化物ストリーム３０は、必要に応じて処分するために、バイオガス発電ユニット３２からのアウトプットとなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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