[发明专利]具有脱盐作用的水力压裂能量存储系统

说明书

背景技术

技术领域

本发明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(Green Mountain Energy)，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。