[发明专利]一种用于储存压缩空气能量的系统和方法

说明书

本发明公开了一种用于存储压缩气体的储存容器，系统和方法。用于存储压缩气体的储存容器包括一设置在地下的钻井孔；一设置于钻井孔内的套管且其被水泥固定至周围的岩层上，被套管覆盖的钻井孔限定了用于存储压缩气体的空间；以及至少一个气体流量调节器，其密封在被套管覆盖的钻井孔的顶端，用于选择性地将压缩气体注入该空间或从该空间排出压缩气体，其中，钻井孔容积至少为20m³，且压缩气体的压力至少为5MPa。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月19日提交的美国临时专利申请62/644,696的优先权，其全部内容通过引用合并于此申请中。

技术领域

本申请主要涉及能量存储和生产，尤其涉及用于将能量存储为压缩空气的储存容器，系统和方法，以便达到延迟电能产生的目的。

背景技术

压缩空气能量存储(CAES，Compressed Air Energy Storage)，液体空气能量存储(LAES，Liquid Air Energy Storage)，水下水囊/静液压CAES是现有的能量存储技术的几种实施例。

CAES技术被建议用于设立在盐洞或含水层中的大型电网规格的CAES设施(50MW)，该设施可用于存储浪费或多余的电能，以应对高峰需求时期。当前网格规模的CAES技术已在德国(Huntdorf)和美国(Macintosh AL)已被应用，且较小规模的CAES技术已在多伦多和其他几个地方被应用。压缩空气的存储方式有多种：山洞(例如溶洞或古老的硬岩石矿井)，多孔的可渗透含水层，液态空气储能(LAES)和水下水囊/静液压。

但是，对于洞穴和含水层，CAES设施依赖于适当的地质站点设置；例如地下盐穴，以便实现洞穴式存储。该标准限制了CAES设施的应用和地点设置，这可能导致为了向终端用户交付可调度能源，传输基础设施需要花费巨大成本。同时，受到洞穴式或含水层式CAES技术的投资成本影响，这些设施被以大型规模运营，可拓建性和适用性有限。

液态空气能量存储(LAES)也可用于存储能量，但是它依赖于大的表面覆盖面积，复杂的处理过程和大量的地面压力罐。地面压力罐存在安全和尺寸问题，且LAES技术是低压工艺，在给定的储存容器体积条件下，其能量输出有限。

水下水囊/静液压CAES同样需要设置在特定地点并且属于低压工艺。能量转换效率相对较低。LAES工艺和水下水囊/静水CAES工艺都持续地存在可扩展性和适用性有限的问题。

发明内容

在本申请中，术语“井”和“储存容器”可互换使用。术语“钻井孔”是指钻入地面的孔。所述钻井孔随后可以被诸如钢和水泥层之类的材料包裹。在一实施例中，本申请公开了一种地下能量储存容器。所述储存容器是一个被诸如钢和水泥层等材料覆盖其表面的钻井孔，其可以承受高压和高温。本申请的技术称为套管式钻井孔压缩空气存储(CWCAS，CasedWellbore Compressed Air Storage)技术。所述储存容器的套管的设置深度至少为500米。一钻井孔通过在地下地质层中钻孔形成，采用高等级钢材的一套管被水泥层固定至该钻井孔中，其深度通常为500m-1500m。所述套管的顶部和底部被完全密封。一高压井口装置盖住该井，其能够允许压缩空气注入和回流。

压缩气体可以被存储在设置于套管式井内的气密空间中。通过钻井搭建一套管式井可以方便地新增一储存容器，以便拓展总储存容量。由所述储存容器组成的阵列可以应用于存储压缩气体。

在一个实施例中，本申请还公开了一种采用套管式钻井孔压缩空气存储(CWCAS)技术的能量储存系统，其包括至少一个储存容器；一个与储存容器密封且以流体连通方式连接的压缩机，用于向套管式钻井孔内注入压力高达5MPa的气体；一个与套管式钻井孔密封且以流体连通的方式连接的发电机，用于利用井中排出压缩气体来生产电能。