[發(fā)明專利]具有脫鹽作用的水力壓裂能量存儲系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580043931.2
• 申請日: 2015-06-29
• 公開（公告）號: CN106661936A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: H·K·施密特;A·H·曼德爾
• 申請（專利權(quán)）人: 奎德奈特能源股份有限公司
• 主分類號: E21B43/26
• 分類號: E21B43/26
• 代理公司: 深圳市百瑞專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)44240
• 代理人: 金輝

背景技術(shù)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量存儲和水脫鹽。特別是，流體注入井中形成水力壓裂。在壓力下流體可能會被泵入裂縫中，隨后在壓力下從裂縫中采水用于發(fā)電或流入反滲透裝置用于脫鹽。

相關(guān)領(lǐng)域討論

多種因素推動可再生能源的快速增長，包括能源安全、價格波動、碳排放條例、稅收優(yōu)惠和人為全球變暖的恐懼。因為液體礦物燃料杰出的能量密度(約45MJ/升)，其主要消耗于交通運輸行業(yè)，生物燃料僅提供有限的能量增益，可再生能源的重要作用是在電力產(chǎn)生中取代化石燃料。美國目前消耗近1TW(10¹²瓦)的電力，因此只有最終可以實現(xiàn)上百GW總量的可再生能源技術(shù)是有意義的電網(wǎng)規(guī)模選項。除了水電已經(jīng)基本上滿負(fù)荷操作了數(shù)十年，此時只有太陽能和風(fēng)系統(tǒng)可以被考慮。當(dāng)今如果沒有大量的公共資金補貼，上述沒有一種具有成本競爭力，盡管資本支出和操作成本有望隨時間下降并最終實現(xiàn)與煤和天然氣火力發(fā)電站同等的價格。其中，風(fēng)力渦輪機更經(jīng)濟(jì)，資本支出(capex)為約1.75美元/瓦、且僅得克薩斯州具有安裝基礎(chǔ)，生產(chǎn)高峰容量約2.5GW。

這兩種重要的可再生能源，風(fēng)能和太陽能受日常和季節(jié)間歇性限制，如圖1所示。也都不適合用于提供基本負(fù)載的電源。輸出波動也會導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定；沒有動態(tài)負(fù)載平衡工具(例如智能網(wǎng)格技術(shù))，可再生電力資源現(xiàn)在必須限制在低于給定電網(wǎng)輸出電力的大約10％。因此，電網(wǎng)水平的可再生電力不僅受限于來源經(jīng)濟(jì)學(xué)，也受限于電網(wǎng)穩(wěn)定技術(shù)。

因此，需要大規(guī)模的電力能源存儲技術(shù)以及可再生能源。表1列舉了候選能源存儲技術(shù)的特征。目前使用的最常見的電力存儲系統(tǒng)是基于某種類型的電池技術(shù)；主要的候選者包括鉛-酸、鋰離子電池、釩流動電池。這些通常對調(diào)節(jié)可再生能源的來源、以及移峰和改善使用點的可靠性是有用的。截至2008，PG&E購買了裝置用于住宅區(qū)，其具有1MW額定容量，供應(yīng)5小時，價格為2百萬美元。通過遞延投資于增加傳輸容量(約2/3)和部分通過改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量(約1/3)，證明這些都是有道理的。這為考慮替代性存儲技術(shù)提供了有用的規(guī)模和價格點：5000kw-h容量，400美元/kw-h價格。

表1

作為應(yīng)用實例，具有3MW額定容量且典型利用系數(shù)為0.3的風(fēng)力渦輪機將產(chǎn)生約22000kw-h/天。基于3MW風(fēng)力渦旋裝置為5.25百萬美元，如果3個上述基于電池的存儲單元用于每個風(fēng)力渦輪機，資本輸出將大于兩倍。顯然，目前的電池技術(shù)對于普通電網(wǎng)規(guī)模存儲是非常昂貴的，即使具有合理的技術(shù)改進(jìn)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

電網(wǎng)規(guī)模電能存儲的領(lǐng)先技術(shù)包括抽水儲能和壓縮空氣能量儲存(CAES)。抽水儲能使用非峰值電力將水向上泵至水庫。這就需要容易獲得大量的水和位置優(yōu)越的地勢，這兩者在風(fēng)力密度合適的區(qū)域-美國中部大平原，都是短缺的。這些技術(shù)方法當(dāng)然是經(jīng)過考驗的和可靠的，并具有約87％的出色的循環(huán)效率。壓縮空氣存儲系統(tǒng)取決于廢棄礦山的可用性或深次表洞穴的發(fā)展。這是一項成熟的技術(shù)，可以安放在約85％的美國大陸并提供合理的約80％的效率。因為壓縮和膨脹空氣會產(chǎn)生較大的溫度變化，處理附加能量通道的CAES設(shè)備是相對復(fù)雜和昂貴的。圖2中的圖表探明了電力-能量空間的各種存儲技術(shù)，并清楚顯示抽水儲能和CAES在結(jié)合高總能量和高電容量方面是獨特的。

存儲技術(shù)的另一項關(guān)鍵應(yīng)用在于峰轉(zhuǎn)移，或者在極端需求的短期內(nèi)輸送額外電量。這一區(qū)域在圖2中被稱之為“分布式資源”。夏日午后需求峰值(與空調(diào)有關(guān))是最好的例子。不幸的是，這對于風(fēng)力渦輪機同時是低生產(chǎn)率時間。圖3中的圖表顯示了用于服務(wù)該應(yīng)用的各種候選技術(shù)的評估資本成本。

正如上文所指出的，這種應(yīng)用目前正被幾個早期采用者如PG&E處理，主要是根據(jù)遞延投資傳輸線路和改善服務(wù)素質(zhì)。當(dāng)然，基于“綠色標(biāo)志”分布式能源，也有營銷的優(yōu)勢。

直至抽水蓄能和/或CAES大規(guī)模部署的時候，我們注意到從風(fēng)力渦輪機儲存多余的夜間電力并在夏季午后需求高峰重新出售的有趣的套利機會。據(jù)傳聞，風(fēng)力發(fā)電場據(jù)說實際上付款給電網(wǎng)運營商以接收夜間電力。風(fēng)電專家，像綠山能源(Green Mountain Energy)，白天風(fēng)能零售價為0.19美元/kw-h。因此，運用12小時儲存系統(tǒng)，有機會獲得毛收入大約0.20美元/kw-h。如果儲存技術(shù)足夠便宜，這可能是利潤非常可觀的企業(yè)。現(xiàn)有技術(shù)的經(jīng)濟(jì)學(xué)在緊縮資本市場和需求較高的內(nèi)部回報率的環(huán)境中使其至多是邊際主張。