[发明专利]具有脱盐作用的水力地质裂缝能量存储系统

说明书

本申请涉及具有脱盐作用的水力地质裂缝能量存储系统及方法。能量可以通过将流体注入到大地中的裂缝中并且采回流体来存储，同时回收能量和/或使水脱盐。该方法可以特别地适用于诸如在电网规模的电能量系统中存储大量能量。裂缝可通过使用树脂来形成和处理，以便限制流体损失，并增加扩散压力。流体可以是包含溶解盐的水或淡水，并且水的一部分或全部可以在采出时通过在水中使用压力而被脱盐。

技术领域

本发明涉及能量存储和水脱盐。更特别地，将流体向下注入井中以形成水力裂缝(hydraulic fracture)。流体可以在压力下被泵送到裂缝中，并随后在压力下从裂缝采出(produce，产生)，且用于发电或者流入反渗透单元以进行脱盐。

背景技术

包括能源安全、价格波动、碳管制、税收优惠和人为全球变暖的恐惧在内的多种因素正推动着可再生能源的快速增长。由于液态化石燃料的出色的能量密度(约45MJ/升)，液态化石燃料主要消耗于运输行业中，而生物燃料仅提供有限的能量增益，因此可再生能源的重要作用是取代电力产生中的化石燃料消耗。美国目前消耗的电力近似为1TW(10¹²瓦)，因此只有最终能够提供上百GW总量的可再生技术才是有意义的电网规模选择。除了一直以基本上满负荷操作数十年之久的水力发电之外，目前仅能考虑基于太阳能和风能的系统。在没有大量公共资金补贴的情况下，尽管资本支出和运营成本有望随时间下降并可能最终实现与燃煤和燃气发电厂同等的价格，但是在今天这些都不具有成本竞争力。其中，风力涡轮机更经济，其资本支出(capex)为约1.75美元/瓦，仅德克萨斯州具有一已安装的基地，其峰值生产能力为约2.5GW。

这两种重要的可再生能源，即风能和太阳能，受到日常和季节性的间歇性影响，如图1所示。因此，这两者都不适合提供基本负载电力。输出波动还会导致电网不稳定；在没有动态负载均衡措施(例如智能电网技术)的情况下，可再生电力源现在必须被限制为小于给定电网上的输出电力的百分之十左右。结果，电网级别上的可再生电力不仅仅受限于来源经济情况，而且还受限于电网稳定技术。

因此，与可再生能源相并行，需要大规模电能量存储技术。表1列举了候选能量存储技术的特征。目前使用的大多数电存储系统是基于某种类型的电池技术；领先的候选包括铅酸、锂离子和钒液流电池。通常，这些不仅对在源头上平衡可再生能源有用而且对峰移位和改善使用点处的可靠性有用。截至2008，PGE正在为住宅区购买的设备具有的额定容量为1MW(兆瓦)，供能5小时，价格为200万美元。这些通过对增加的传输容量(～2/3)推迟投资以及部分地通过改进的服务质量(～1/3)来调节。对于考虑替代性存储技术而言，这提供了有用的规模和价格点：5,000千瓦时的容量，以及400美元/千瓦时的价格。

表1

作为应用示例，额定容量为3MW、典型利用率为0.3的风力涡轮机每天将产生大约22,000千瓦时。如果三个上述基于电池的存储单元专用于每个风力涡轮机，基于5.25百万美元的3MW风力涡轮机组，资本支出将大于两倍。显然，即使有合理的技术改进和规模经济，当前的电池技术对于通常的电网规模存储来说也过于昂贵。

电网规模电能量存储的领先技术包括抽水储能和压缩空气能量存储(CAES)。抽水储能使用非峰值电力将水向上泵送到储层。这需要随时获取大量的水和位置便利的地势，这两者在风能密度适宜的区域(美国中部大平原)都是短缺的。这种技术方法当然是经验证的和可靠的，并且具有高达～87％(约87％)的出色往返效率。压缩空气存储系统依赖于废弃矿山的可用性或者深地下洞穴的发展。这是经验证的技术，其可以在约85％的美国大陆上安置，并且提供达～80％(约80％)的合理效率。由于空气的压缩和膨胀产生巨大的温度变化，用以处理这个寄生能量通道的CAES设备是相对复杂和昂贵的。图2中的图表定位了电力-能量空间中的各种存储技术，并清楚地示出了抽水储能和CAES在组合高总能量和高电力容量中突出。