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公開番号2025124667
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-26
出願番号2025078315,2024171461
出願日2025-05-08,2020-05-22
発明の名称二酸化炭素と硫化水素を削減する方法
出願人カーブフィクス,ザトラスティーズオブコロンビアユニバーシティーインザシティーオブニューヨーク,バーナードカレッジ
代理人弁理士法人浅村特許事務所
主分類B01D 53/14 20060101AFI20250819BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】本発明は、地層中の二酸化炭素(CO₂)および/または硫化水素(H₂S)を削減する方法およびシステムに関するものである。
【解決手段】水は、水源から注入井戸にポンプまたは移送される。水の水圧が合流点でのCO₂および/またはH₂Sガスの圧力よりも低い条件下で、ガスを水に合流させる。CO₂および/またはH₂Sガスの気泡を含んだ水は、CO₂および/またはH₂Sガスの気泡の上昇流速よりも高い一定の速度でさらに下方に移送され、圧力の上昇により水中のCO₂および/またはH₂Sが完全に溶解するようにガスの気泡が下方に移動する。この完全溶解により、地層(例えば、地熱貯留層)に流入する水のpHが低下し、CO₂やH₂Sの削減につながる鉱物反応が促進されることが必要である。この削減量は、溶解したCO₂やH₂Sに対して所定のモル比でトレーサー物質を溶解することで定量化でき、モニタリング井戸中でモニターされる。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
以下のステップを含む、二酸化炭素（ＣＯ
２
）および／または硫化水素（Ｈ
２
Ｓ）を削減する方法：
・水源からの水を注入井戸（２１０）の外管（２０５）中に汲み上げ（ポンピング）または移送することにより、前記外管（２０５）内に加圧された水流を形成すること；
・注入井戸（２１０）の注入管（２０６）中にＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガスを送り込み、それによって、前記注入管（２０６）内に加圧されたＣＯ
２
、および／または加圧されたＨ
２
Ｓを含むＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガス流を生成すること；
・前記外管（２０５）内の前記水の水圧ｐ（Ｗ）が、前記注入管（２０６）内の前記ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓの圧力（ｐ（ＣＯ
２
）および／またはｐ（Ｈ
２
Ｓ））よりも低い深さｈ１≧０で、前記加圧水流と前記ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガス流とを合流させることにより、前記ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガス流の前記加圧水流に、前記加圧水流の前記加圧ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓガスの実質的にすべてを溶解させること；
・前記水流を前記深さｈ１≧０から深さｈ１＋ｈ２（（ｈ１＋ｈ２）＞ｈ１）まで、前記深さｈ１＋ｈ２において前記水流中のＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓガスの気泡にかかる浮力に起因する前記ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓガスの上向きの流速ｖ（ＣＯ
２
）および／またはｖ（Ｈ
２
Ｓ）よりも高い下向きの流速ｖ（Ｗ）で移送することによって、前記水流中の前記溶解したＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓの溶液を維持すること；
・前記溶解したＣＯ
２
およびＨ
２
Ｓを含む前記加圧水流の結果としてのｐＨ値を約２～４、好ましくは約２．５～３．５、より好ましくは約３．２に維持すること；
・溶解したＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓを含む前記加圧水流を、ｈ１＋ｈ２でまたは深さ＞（ｈ１＋ｈ２）で反応性岩石を含む地中貯留層中に注入すること。
続きを表示（約 2,500 文字）【請求項２】
地中貯留層が地熱貯留層であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
深さｈ１≧０の合流点において、前記注入管（２０６）にスパージング手段（２０７）を取り付けることにより、前記水流中に溶解するＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓの間の界面積を増加させることをさらに含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
前記注入管（２０６）が、前記加圧水流を含む前記外側パイプ（２０５）の内側を下方に向かって延び、前記深さｈ１≧０の位置に開放端を有することを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記加圧水流を含む前記外側パイプ（２０５）は、前記深さｈ１＋ｈ２に開放端を有することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
深さｈ１における合流点でのＣＯ
２
の圧力ｐ（ＣＯ
２
）が、約２０～３６バール、好ましくは約２２～３４バール、より好ましくは約２４～３２バール、最も好ましくは約２４．５バールである、前述の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
深さｈ１の合流点におけるＨ
２
Ｓの圧力ｐ（Ｈ
２
Ｓ）が、約４～８バール、好ましくは約５～７バール、より好ましくは約５．５～６．５バール、最も好ましくは約６バールであることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
以下のステップをさらに含む、前述の請求項のいずれかに記載の方法：
・前記注入井戸（２１０／６１２）内の前記外管（２０５）の前記深さｈ１≧０の加圧水流中に、前記溶解したＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓと比較して所定のモル比のトレーサー物質を溶解させること；
・流路（６１４）を介して前記注入井戸（２１０／６１２）の前記外管（２０５）に相互に連結された監視井戸（６１０）を設け、それによって、前記溶解したＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓと前記トレーサー物質とが混合された前記加圧水の少なくとも一部が、前記注入井戸（２１０／６１２）の前記外管（２０５）から前記流路（６１４）を介して前記監視井戸（６１０）に流れること；
・前記監視井戸（６１０）におけるＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓとトレーサー物質の濃度を測定し、それに基づいて、前記監視井戸（６１０）におけるＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓとトレーサー物質のモル比を確立すること；
・前記監視井戸（６１０）におけるＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓとトレーサー物質とのモル比と、前記注入井戸（２１０／６１２）中の前記外管（２０５）の前記深さｈ１における前記加圧水流中の前記所定のモル比とを比較することに基づいて、ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓの削減の度合いを示す削減指標を決定すること。
【請求項９】
以下を含む、二酸化炭素（ＣＯ
２
）および／または硫化水素（Ｈ
２
Ｓ）を削減するためのシステム：
・注入井戸（２１０）；
・前記注入井戸（２１０）の内部で下向きに延びる外管（２０５）；
・前記注入井戸（２１０）の内部で下向きに延びる注入管（２０６）；
・水源からの水を前記外管（２０５）中にポンピングまたは転送し、それによって前記外管（２０５）内に加圧された水流を形成する手段；
・ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガスを前記注入管（２０６）中に送り込み、それによって前記注入管（２０６）内に加圧されたＣＯ
２
、および／または加圧されたＨ
２
を含むＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガス流を生成する手段；
・前記外管（２０５）内の前記水の水圧ｐ（Ｗ）が、前記注入管（２０６）内の前記ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓの圧力（ｐ（ＣＯ
２
）および／またはｐ（Ｈ
２
Ｓ））よりも低い深さｈ１≧０で、前記加圧水流と前記ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓリッチガス流とを合流させる手段；
・前記水流を前記深さｈ１≧０から深さｈ１＋ｈ２（（ｈ１＋ｈ２）＞ｈ１）まで、下降流速ｖ（Ｗ）で移送する手段であって、ｈ１＋ｈ２では、前記深さｈ１＋ｈ２での前記水流中のＣＯ
２
ガスおよび／またはＨ
２
Ｓガスの気泡にかかる浮力に起因する前記ＣＯ
２
ガスおよび／またはＨ
２
Ｓガスの上昇流速ｖ（ＣＯ
２
）および／またはｖ（Ｈ
２
Ｓ）よりも高くなる手段；
・前記溶解したＣＯ
２
およびＨ
２
Ｓを含む前記加圧水流の結果としてのｐＨ値を約２～４、好ましくは約２．５～３．５、より好ましくは約３．２に維持する手段；
・溶解したＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓを含む前記加圧水流を、ｈ１＋ｈ２でまたは深さ＞（ｈ１＋ｈ２）で反応性岩石を含む地中貯留層中に注入する手段。
【請求項１０】
深さｈ１≧０の合流点で前記注入管（２０６）に取り付けられたスパージング用の手段（２０７）をさらに備えることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、二酸化炭素（ＣＯ
２
）や硫化水素（Ｈ
２
Ｓ）を地中貯留層に注入し、その後貯留することで、これらを削減する方法およびシステムに関するものである。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
発明の背景
二酸化炭素（ＣＯ
２
）と硫化水素（Ｈ
２
Ｓ）は、化石燃料の燃焼など、さまざまな産業プロセスで大量に放出されるガスである。この２つのガスは、環境にとって重要な課題となっている。
【０００３】
産業界のＣＯ
２
排出量の削減は、今世紀の主要な課題の１つである(Ref.1: Broecker and Kunzig)。一般的に、地熱資源からのＣＯ
２
排出量は比較的少なく、これらは再生可能エネルギーに分類される。これは、化石燃料を使用する通常の発電所が、公害防止のための許可証（「排出枠」と呼ばれる）を売買しているのとは対照的である。
【０００４】
従来の地熱発電所は、熱異常、透過性のある岩石、流体を特徴とする地熱貯留層からの蒸気とブラインの高温混合物を利用して、地球の熱を利用している(Ref.2:Barbier)。これらの地熱貯留層からの地熱蒸気には、温室効果ガスであるＣＯ
２
と硫化水素（Ｈ
２
Ｓ）の両方を含む溶存ガスが自然に含まれている。これらのガスは、地熱エネルギー生産の副産物であり、マグマ起源である。従来の地熱発電所が稼働すると、蒸気中のガスは大気中に排出される。
【０００５】
これまで地熱発電所は、温室効果ガスの排出量が少ないため、ＣＯ
２
排出枠の購入が免除されていた。しかし、気候変動政策が厳しくなるにつれ、ＣＯ
２
排出量の価格が上昇することが予想される。
【０００６】
地熱発電所からの硫化水素の排出は、地熱利用における環境問題の一つである。硫化水素は、無色で可燃性の有毒なガスで、腐った卵のような特徴的な臭いがする。硫化水素にさらされると、そのレベルと期間に応じて健康問題を引き起こす可能性がある。低レベルで長時間の暴露は目の炎症や刺激を引き起こすが、高レベルで短時間の暴露はめまい、頭痛、吐き気を引き起こし、大気中のＨ
２
Ｓの濃度が３００ｐｐｍを超えると死に至ることもある。
【０００７】
地熱流体中の硫化水素の濃度は通常、数ｐｐｂから数百ｐｐｍの範囲である(Ref. 3 + 4: Arnorsson)。高温の地熱流体を利用する際、硫化水素は蒸気相に濃縮され、蒸気が凝縮した後に大気中に放出される。例えば、アイスランドにあるHellisheioi発電所では、年間９５００トンの硫化水素が大気中に排出されているが、何の対策も施されていない。硫化水素は、発電所の近くで高濃度の硫化水素が発生するリスクを下げるために、冷却塔の上で放出される。硫化水素は風に運ばれて発電所の敷地から離れていき、天候によっては近隣のコミュニティに悪臭をもたらすこともある。
【０００８】
今日までＣＯ
２
は、北海のSleipner、アルジェリアのIn Salah、カナダのWeyburnなどの主要なガス・石油生産施設に関連して、超臨界流体として貯蔵されてきた(Ref.5: Kerr)。いずれにしても、地熱発電に起因するものであれ、他の発電所に起因するものであれ、大気中に放出されるＣＯ
２
の量を削減するためには、地中構造物でのＣＯ
２
の削減は、まだ比較的未開拓ではあるが、魅力的な可能性である。地中での炭素貯留・隔離の標準的な方法は、深さ８００ｍ以上の地層にＣＯを
２
バルクとして注入することである。この深さでは、ＣＯ
２
は超臨界状態にあり、母岩の流体に対して浮力がある。その結果、浮力のあるＣＯ
２
は、浅い地下や地表に戻ってくる可能性がある（Ref.6:Hawkins; Ref.7:Benson)。
【０００９】
Gislason et al.(Ref.8)は、高圧ガスとしてパイロット注入サイトまで３ｋｍのパイプラインで輸送されるＣＯ
２
を回収する方法を一般的な方法で説明している。想定されている方法では、ＣＯ
２
は水と一緒に圧入され、圧入されたＣＯ
２
を井戸のさらに下に流すことになるが、この出版物の著者によれば、結果として単一の流体相が隔離層に入ることになるという。同様に、Sigfusson et al.(Ref.16)は、約１７５トンのＣＯ
２
を５０００トンに溶かして注入したと述べている。同様に、Sigfusson et al.(Ref.16)は、５０００トンの水に溶解した約１７５トンのＣＯ
２
を（地表から約３５０ｍの深さで）地表から４００～８００ｍの位置にある多孔質岩に注入することについて述べており、この方法でＣＯ
２
を貯留するために大量の水が必要であっても、ＣＯ
２
は溶解しているため浮力がなく、超臨界ＣＯ
２
の場合よりも地表からの距離を短くして貯留することができるという事実を指摘している。同様に、Gunnarson et al.(Ref.17)は、地表から約２０００ｍのところにある玄武岩に、２００～２６０℃の温度でＣＯ
２
とＨ
２
Ｓ（地表から約７５０ｍの深さの水に溶解）を連続的に注入することについて述べており、大深度と高温によって、より浅くて冷たい岩層に注入した場合よりも大量のＣＯ
２
とＨ
２
Ｓを注入することができるという事実を指摘している。
【００１０】
これらの刊行物に詳細に記載されている方法は、本発明の方法とは異なる。したがって、これらの刊行物のいずれも、水流の下降速度と、合流点で所定の寸法の気泡として放出されたＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓが所定の深さ／圧力で溶液中に維持されることを効率的に保証する能力との間の関係の重要性を指摘していない。このように、ＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓが豊富なガス流と合流した水を、水中に溶解したＣＯ
２
および／またはＨ
２
Ｓガスの気泡の上向きの速度よりも高い速度で下向きに移送することの重要性については、刊行物は沈黙している。実際には、これとは全く逆に(Ref.16)、単により一般的に、二酸化炭素を注入中に水に溶解させることの重要性を指摘しており、典型的な体積流量と平均滞留時間に言及しているだけで、水とＣＯの
２
質量比を一定にすることの重要性に焦点を当てている。これは、このような方法の有用性に影響を与える要因が、当時の著者には十分に理解されていなかったことを意味する。同様に、これらの出版物のいずれも、水の下向きの流速を増加させるだけで水の需要を減少させることができるという本発明の関連する発見を指摘していない。この特徴は、先行技術に記載されている方法と比較して、本発明の方法の実現可能性にとって経済的に非常に重要である。
（【００１１】以降は省略されています）

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