具有脱盐作用的液压地质储能系统技术方案

可通过将流体注入土地的裂缝中并在回收能量和/或使水脱盐的同时产生流体来存储能量。该方法可特别适合于例如，在电网规模的电能系统中存储大量能量。可形成裂缝并用树脂进行处理，以限制流体损失并增加蔓延压力。流体可为含有溶解盐的水或淡水，并且当产生水时，可使用水中的压力使部分或全部水脱盐。

Hydraulic Geological Energy Storage System with Desalination

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有脱盐作用的液压地质储能系统该部分继续申请要求2014年6月30日提交的序列号为14/318,742的优先权，该序列号要求2010年8月9日提交的美国非临时申请序列号12/853,066的优先权，该美国非临时申请要求2009年8月10日提交的美国临时申请序列号61/232,625的优先权，所有这些文献都通过引用整体并入本文。
本专利技术涉及储能和脱盐。更具体地，流体被注入井中以形成水力裂缝。流体可在压力下被泵入裂缝，然后在压力下从裂缝中生产，用于发电或流入反渗透装置中以进行脱盐。
技术介绍
包括能源安全、价格波动、碳调节、税收激励和对人为全球变暖的担忧等许多因素正在推动可再生能源的快速增长。由于液态化石燃料因其出色的能量密度(约45兆焦耳/升)而主要消耗在交通运输行业，而生物燃料仅提供有限的能量获得可再生能源的关键作用是取代发电中的化石燃料消耗。美国目前消耗大约1TW(1012瓦)的电力，因此只有最终能输送100GW总发电量的可再生技术才是有意义的电网规模选择。除了几十年来基本满负荷运行的水力发电之外，目前只能考虑基于太阳能和风能的系统。如果没有大量的公众资助补贴，目前这两者都不具有成本竞争力，尽管预期资本支出和运营成本会随着时间的推移而下降，并最终可能达到与燃煤和燃气发电厂同等的比价。这两者中，风力涡轮机更经济，资本支出(资本开支)约为$1.75/瓦，仅德克萨斯州具有安装完毕的基地，峰值产能约为2.5GW。这两种关键的可再生资源(风能和太阳能)在逐日和季节基础上都存在间歇性，如图1所示。因此，它们都不适合提供基本负载电力。输出波动也会导致电网不稳定；在没有动态负载均衡装置(例如智能电网技术)的情况下，现在必须将可再生电源限制为小于给定电网上输送的功率的约百分之十。因此，可再生电力在电网水平方面不仅受到能源经济的限制，还受到电网稳定技术的限制。因此，需要与可再生能源并行的大规模电能存储技术。表1列举了候选能量存储技术的特征。目前使用的最常见的电能存储系统基于某种电池技术；主要候选者包括铅酸电池、锂离子电池和钒流电池。这些通常不仅可用于在能源处调平可再生能源，而且还可用于峰值转换并提高使用点的可靠性。自2008年起，PG&E已以$2MUSD的价格，为住宅区购买了额定容量为1MW、供电5小时的设施。通过延缓对增加输电能力的投资(约2/3)以及部分地通过提高服务质量(约1/3)证明了其合理性。这为考虑替代存储技术提供了有用的规模和价格点：5,000kw-hr的容量和$400/kw-hr的价格。表1作为应用实例，额定容量为3MW、典型利用系数为0.3的风力机每天的发电量约为22,000kw-hr。如果3个上述以电池为基础的存储单元分别投入于每台风力涡轮机，资本开支将翻一番，这是基于用于3MW风力涡轮机设施的$5.25M考虑的。显而易见，即使在合理的技术改进和规模经济的情况下，当前的电池技术对于一般的电网规模存储来说也是贵得离谱。电网电能存储的主要技术包括抽水蓄能和压缩空气储能(CAES)。抽水蓄能利用非高峰电力将水泵送到高位储层。这就需要有大量的水和便利的位置地形，而在风力发电密度适宜的地区(美国中部的大平原地区)，这两种资源都供应不足。这种技术方法当然是经过试验并且可靠的，并且具有约87％的良好的往返效率。压缩空气存储系统取决于废弃矿井的可用性或深的地下洞穴的开发。这是一种经过验证的技术，可安放在美国大陆的85％左右，并提供约80％的合理效率。由于空气的压缩和膨胀产生了大的温度变化，用于处理这种寄生能量通道的CAES设备相对复杂和昂贵。图2中的图表将各种储能技术定位在电能空间中，并清楚地展示了抽水蓄能和CAES在组合高的总能量与高功率能力上各自的优势。存储技术的另一个关键应用在于峰移(peakshifting)，或者在短时期的极端需求期间提供额外的电力。该区域在图2中表示为“分布式资源”。夏季下午与空调相关的需求高峰是一个典型的例子。遗憾的是，这同时是风力涡轮机的低生产率时期。图3中的图表示出了用于服务该应用的各种候选技术的估计资本成本。如上所述，该应用目前正由一些早期采用者如PG&E解决，主要基于传输线的延迟投资和改进的服务质量。当然，还有一种基于分布式电源“绿色标志”的营销优势。在大规模部署抽水蓄能和/或CAES之前，我们注意到存在有趣的套利机会，即：从风力涡轮机中存储多余的夜间电力，并在夏季下午需求高峰时转售。有趣的是，据说风电场实际上向电网运营商支付夜间供电费用。像GreenMountainEnergy这样的风力发电行家，以白天$0.19/kw-hr的零售价出售风能。因此，存在通过12小时存储系统大体收入$0.20/kw-hr的机会。如果存储技术足够便宜，这将是一个非常有利可图的事业。在资本市场吃紧且要求高内部收益率的环境下，现有技术的经济性使得这充其量只是一个边缘命题。在许多地区，还缺少淡水或饮用水。脱盐的主要方法之一是反渗透。该过程需要压力来克服咸水的渗透压力并迫使水通过半透膜。因此，存在用于组合存储技术和脱盐技术的额外机会。
技术实现思路
本专利技术使用井在土地中的裂缝(例如，水力裂缝和/或天然存在的裂缝)中以高压存储流体。当从井中回流产生流体时，流体用于传统设备中以产生动力。可使裂缝的壁变得较不可渗透，并且可通过将树脂(诸如环氧树脂)注入裂缝中来增加裂缝的蔓延压力。描述了能够为分布式资源和负载管理提供盈利操作的存储能力、资本要求和预期回报率，以及风力发电的隔夜套利。如果存储的流体是盐水，例如从土地的地层产生的水，并且需要淡水，从存储容量中产生的选定部分的盐水可被引导至反渗透装置以进行脱盐。附图说明图1示出了德克萨斯州威尔多拉多(Wildorado)的每日风模式。图2示出了能量存储技术的成本和效率。图3示出了分布式设施应用和可再生能源的匹配。图4示出了土地中的水力裂缝和用于形成所述裂缝的设备。图5A是裂缝的横截面图，示出了将树脂放置在由裂缝穿透的岩石中。图5B是裂缝的横截面图，示出了使树脂朝向裂缝的端部移动的置换流体。图5C是裂缝的横截面图，示出了位移到裂缝的尖端的树脂。图6示出了井周围土地中的水力裂缝和地表上用于控制从裂缝的回流并且发电或对水脱盐的设备。具体实施方式水力压裂通常用于改善钻入到低渗透性储层中的油井和气井的生产率。这种裂缝增加了井进入储层岩石的有效生产表面积。事实上，只有通过大范围压裂才能实现对非常规储层(如巴内特页岩和巴肯层(BarnettShaleandBakkenFormation))的有盈利的开采。简单地说，在将井套管粘合到位之后，在需要的层产生穿孔，然后在高压下将流体向下泵送到井中以在井周围的岩石层中引起裂缝，如图4所示。井41已被钻入地下地层。运砂车42可将支撑剂运至井场。压裂流体可混合并存储在罐45中，从该罐中将压裂流体吸入搅拌车43，在那里压裂流体与沙子或其他支撑剂混合。高压泵44用于以足以在井周围形成裂缝46的压力迫使流体沿井41向下。支撑剂颗粒47可在裂缝形成后被泵入裂缝中。形成裂缝46的必要压力通常线性地取决于深度；典型的“裂缝梯度”是每英尺井深约0.8PSI。因此，3000英尺的井需要在岩石面处施加大约2,400PSI的压力以产生水力裂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储和产生能量的方法，包括：将流体向井下泵送到裂缝中以流到所述裂缝的尖端；将所述流体存储在所述裂缝中作为机械能；和在所述流体从所述裂缝中泄漏之前，减小所述井中的压力，以便产生一部分向所述井上的流体并允许产生的所述流体的压力产生能量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.27 US 15/336,4241.一种存储和产生能量的方法，包括：将流体向井下泵送到裂缝中以流到所述裂缝的尖端；将所述流体存储在所述裂缝中作为机械能；和在所述流体从所述裂缝中泄漏之前，减小所述井中的压力，以便产生一部分向所述井上的流体并允许产生的所述流体的压力产生能量。2.根据权利要求1所述的方法，还包括通过实现桥接和筛阻来阻止进一步的裂缝蔓延。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体包括颗粒，所述颗粒被构造成使通过桥接件的流体流最小化。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述颗粒是能压缩的。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述颗粒被构造为在回流或发电循环期间压缩。6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述颗粒被构造为在所述裂缝中扩展。7.根据权利要求1所述的方法，还包括允许所述流体通过涡轮机从所述裂缝中漏出。8.一种存储和产生能量的方法，包括：通过将悬浮在流体中的材料向井下注入以桥接、插入、阻塞、覆盖或隆起岩石层中的孔隙和/或孔喉，引起岩石层损坏以降低岩石层渗透性；将所述流体存储在裂缝中作为机械能；和在所述流体从所述裂缝泄漏之前，减小所述井中的压力，以便产生一部分向所述井上的流体并允许产生的所述流体的压力产生能量。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述材料包括悬浮在所述流体中的固体颗粒的混合物，所述混合物被构造成用于插入所述岩石中的孔隙。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述材料包括二氧化硅粉、研磨大理石或其组合。11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述材料包括膨润土、石墨烯或石墨氧化物，其中所述材料...

【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