具有脱盐作用的水力压裂能量存储系统技术方案

通过注入流体至地下水裂压裂裂缝中储存能量，采回流体时回收能量和/或使水脱盐。该方法尤其适用于储存大量能量例如电网规模电能系统。可用树脂形成或处理水力压裂裂缝从而限制流体损失并增加传播压力。流体可以是含有溶解盐的水或淡水，并且当将其采出时使用水中的压力可使部分或全部水脱盐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有脱盐作用的水力压裂能量存储系统
技术介绍

本专利技术涉及能量存储和水脱盐。特别是，流体注入井中形成水力压裂。在压力下流体可能会被泵入裂缝中，随后在压力下从裂缝中采水用于发电或流入反渗透装置用于脱盐。相关领域讨论多种因素推动可再生能源的快速增长，包括能源安全、价格波动、碳排放条例、税收优惠和人为全球变暖的恐惧。因为液体矿物燃料杰出的能量密度(约45MJ/升)，其主要消耗于交通运输行业，生物燃料仅提供有限的能量增益，可再生能源的重要作用是在电力产生中取代化石燃料。美国目前消耗近1TW(1012瓦)的电力，因此只有最终可以实现上百GW总量的可再生能源技术是有意义的电网规模选项。除了水电已经基本上满负荷操作了数十年，此时只有太阳能和风系统可以被考虑。当今如果没有大量的公共资金补贴，上述没有一种具有成本竞争力，尽管资本支出和操作成本有望随时间下降并最终实现与煤和天然气火力发电站同等的价格。其中，风力涡轮机更经济，资本支出(capex)为约1.75美元/瓦、且仅得克萨斯州具有安装基础，生产高峰容量约2.5GW。这两种重要的可再生能源，风能和太阳能受日常和季节间歇性限制，如图1所示。也都不适合用于提供基本负载的电源。输出波动也会导致电网不稳定；没有动态负载平衡工具(例如智能网格技术)，可再生电力资源现在必须限制在低于给定电网输出电力的大约10％。因此，电网水平的可再生电力不仅受限于来源经济学，也受限于电网稳定技术。因此，需要大规模的电力能源存储技术以及可再生能源。表1列举了候选能源存储技术的特征。目前使用的最常见的电力存储系统是基于某种类型的电池技术；主要的候选者包括铅-酸、锂离子电池、钒流动电池。这些通常对调节可再生能源的来源、以及移峰和改善使用点的可靠性是有用的。截至2008，PG&E购买了装置用于住宅区，其具有1MW额定容量，供应5小时，价格为2百万美元。通过递延投资于增加传输容量(约2/3)和部分通过改进服务质量(约1/3)，证明这些都是有道理的。这为考虑替代性存储技术提供了有用的规模和价格点：5000kw-h容量，400美元/kw-h价格。表1作为应用实例，具有3MW额定容量且典型利用系数为0.3的风力涡轮机将产生约22000kw-h/天。基于3MW风力涡旋装置为5.25百万美元，如果3个上述基于电池的存储单元用于每个风力涡轮机，资本输出将大于两倍。显然，目前的电池技术对于普通电网规模存储是非常昂贵的，即使具有合理的技术改进和规模经济。电网规模电能存储的领先技术包括抽水储能和压缩空气能量储存(CAES)。抽水储能使用非峰值电力将水向上泵至水库。这就需要容易获得大量的水和位置优越的地势，这两者在风力密度合适的区域-美国中部大平原，都是短缺的。这些技术方法当然是经过考验的和可靠的，并具有约87％的出色的循环效率。压缩空气存储系统取决于废弃矿山的可用性或深次表洞穴的发展。这是一项成熟的技术，可以安放在约85％的美国大陆并提供合理的约80％的效率。因为压缩和膨胀空气会产生较大的温度变化，处理附加能量通道的CAES设备是相对复杂和昂贵的。图2中的图表探明了电力-能量空间的各种存储技术，并清楚显示抽水储能和CAES在结合高总能量和高电容量方面是独特的。存储技术的另一项关键应用在于峰转移，或者在极端需求的短期内输送额外电量。这一区域在图2中被称之为“分布式资源”。夏日午后需求峰值(与空调有关)是最好的例子。不幸的是，这对于风力涡轮机同时是低生产率时间。图3中的图表显示了用于服务该应用的各种候选技术的评估资本成本。正如上文所指出的，这种应用目前正被几个早期采用者如PG&E处理，主要是根据递延投资传输线路和改善服务素质。当然，基于“绿色标志”分布式能源，也有营销的优势。直至抽水蓄能和/或CAES大规模部署的时候，我们注意到从风力涡轮机储存多余的夜间电力并在夏季午后需求高峰重新出售的有趣的套利机会。据传闻，风力发电场据说实际上付款给电网运营商以接收夜间电力。风电专家，像绿山能源(GreenMountainEnergy)，白天风能零售价为0.19美元/kw-h。因此，运用12小时储存系统，有机会获得毛收入大约0.20美元/kw-h。如果储存技术足够便宜，这可能是利润非常可观的企业。现有技术的经济学在紧缩资本市场和需求较高的内部回报率的环境中使其至多是边际主张。在很多领域，还缺乏新鲜的或可饮用的水。水脱盐的一项主要的方法是反渗透。这一过程需要压力来克服盐水的渗透压力使水透过半透膜。因此，存在更多的机会结合存储技术和脱盐技术。
技术实现思路
本专利技术使用井在地下高压水力压裂裂缝中存储流体。该流体从井中采回，用于传统设备发电。通过注入树脂，例如环氧树脂至裂缝中，裂缝壁可制成较不透气的，传播压力可能会增加。存储能力、资本需求和预期的回报率，使分布式资源和负载管理以及过夜风力套利运作有利可图，这些都会有相关的说明。如果储存的流体是盐水，例如产自地下层的水，且有淡水需求，从储存容量采回的一部分盐水可直接置于反渗透装置脱盐。附图说明图1显示了德克萨斯州Wildorado的每日风型。图2显示了能量存储技术成本和效率。图3显示了分布式应用程序和可再生资源匹配。图4说明了地下水力压裂裂缝及其形成设备。图5A是裂缝的横截面图，显示了树脂泄漏至裂缝周围岩石。图5B显示了裂缝终端的树脂。图5C显示了裂缝中的压裂支撑剂。图6说明了地表井和设备周围的地下水力压裂，用于控制从裂缝回流并产生电力或脱盐水。具体实施方式水力压裂惯常用于提高钻入低渗透油藏储集层的油气井的生产率。这类裂缝增加了储集层岩石中的井的有效生产表面区域。确实，非传统储集层如巴奈特页岩(BarnettShale)和巴肯组泥页岩(Bakkenformation)的有利可图的勘探，只能通过大量的水力压裂实现。简单地说，在井管固定位置后，在目标底层形成穿孔，然后在高压下将流体泵入井中，诱导岩石中裂缝形成于井周围，如图4所示。井41已钻入地下地层。运砂车42可将压裂支撑剂运至井点。压裂流体可在罐45中混合和储存，并从该处送至混砂车43与沙子或其他压裂支撑剂混合。高压力泵44是用于在足以在井周围形成裂缝46的压力下，迫使流体进入井41。压裂支撑剂颗粒47可能会在裂缝形成后被泵入裂缝中。形成裂缝46的必要压力线性取决于深度；典型的“裂缝梯度”是每英尺深度约0.8PSI。因此，3000英尺的井在岩壁需要约2400psi的压力以产生水力压裂。在浅井(最多到1，000-2，000英尺深)，水力压裂裂缝通常水平传播。在更大的深度，岩石中的自然应力往往导致垂直导向的裂缝。对于我们的储存能量的目的，裂缝方向是不重要的。在任何情况下，能量储存是通过裂缝周围岩石的变形，主要是弹性变形。裂缝可主要位于一个平面内，通过围岩层从井延伸，如图4所示，或者主要位于自然裂隙岩石内，如巴奈特或巴肯组泥页岩层，裂缝具有许多不同流体路径可大量延伸。裂缝在井中可从井眼径向延伸，例如，大约100米至1000米。如果裂缝主要是在同一平面，井眼裂缝厚度可在约0.5-2厘米。裂纹扩散在断裂操作中使用威震方法可实时监控，而地表面形变度和类型使用倾斜仪可同时测量。断裂的岩层的流体透过性和弹性有效决定了可能用给定泵系统的断裂程度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于存储和产生能量以及使水脱盐的方法，包括：在大于裂解压力的压力下，将含溶解盐的水泵入井中并进入井周围岩层的水力压裂裂缝中；在含有溶解盐的水从水力压裂裂缝泄漏之前，降低井中压力从而将部分含溶解盐的水采至井上作为采出水，并用第一部分采出水的压力发电，用第二部分采出水的压力使第二部分采出水脱盐。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.30 US 14/318,7421.一种用于存储和产生能量以及使水脱盐的方法，包括：在大于裂解压力的压力下，将含溶解盐的水泵入井中并进入井周围岩层的水力压裂裂缝中；在含有溶解盐的水从水力压裂裂缝泄漏之前，降低井中压力从而将部分含溶解盐的水采至井上作为采出水，并用第一部分采出水的压力发电，用第二部分采出水的压力使第二部分采出水脱盐。2.根据权利要求1所述的方法，其中由于采出水采至井上，第一部分和第二部分采出水是不同的。3.一种操作电网系统的方法，包括：在最佳生产期使用主电源发电用于电网系统；使用在最佳生产期生产的电力的一部分在大于压裂压力的压力下，将含有溶解盐的水泵入地下水力压裂裂缝中；在非最佳生产期，从水...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·K·施密特，A·H·曼德尔，
申请(专利权)人：奎德奈特能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US