一种用于储存压缩空气能量的系统和方法技术方案

本发明专利技术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20m

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于储存压缩空气能量的系统和方法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。
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。
技术介绍
压缩空气能量存储(CAES，CompressedAirEnergyStorage)，液体空气能量存储(LAES，LiquidAirEnergyStorage)，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(MacintoshAL)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。
技术实现思路
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，CasedWellboreCompressedAirStorage)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。储存容器和系统均的设置地点均不受限，且可以被设置于几乎任何位置。系统的储能能力可通过钻设额外的储存容器来轻松扩展。此外，因为整个储存容器都就地设置在地下岩石层中，储存容器和系统可以承受高达100MPa的压力，且安全风险可忽略不计。与同等的电池存储系统相比，CWCAS系统在其生命周期内造成的环境影响显着降低。本申请的一实施例提供了一种用于存储压缩气体的储存容器，其包括：一设置于地下的钻井孔；一设置于钻井孔内的套管(即套管式钻井孔)且其被水泥固定至周围的岩层上，所述套管式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，其被密封在所述套管式钻井孔的顶端，用于选择性地将压缩气体注入所述空间或从所述空间排出压缩气体，其中，钻井孔容积至少为20m3，且压缩气体的压力至少为5MPa。本申请的另一实施例提供一种用于以压缩气体的形式存储能量的系统，该系统包括：一个或多个用于存储压缩气体的能量储存容器，各储能容器中至少有一个储存容器包括：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，至少一台地面气体压缩机与一个或多个储能容器密封且以流体连通的方式连接，以便压缩气体并向储存容器中注入压缩气体；至少一个地面气体膨胀机与一个或多个能量储存容器密封且通过流体连通的方式连接，以便利用从一个或多个储能容器中排出的压缩气体生产电能。本申请的另一实施例提供了一种能量存储方法，其包括：通过将套管以水泥固定在在地下的钻井孔中形成至少一个储存容器，压缩地面上的气体；将压缩气体注入至少一个储存容器中，且压缩气体压力至少为5MPa。附图说明以下将通过实施例的方式给出参考，各附图展示了本申请实施例性实施例，其中：图1是本申请的一实施例的实施例性能量存储系统的框图；图2是本申请的一实施例的储存容器的剖面图。图3是本申请的另一实施例的实施例性能量存储系统的框图；图4是本申请的又一实施例的实施例性能量存储系统的框图；在不同的图中可能已经使用了相似的附图标记来表示相似的组件。具体实施方式非高峰能量，多余能量或来自可再生能源(例如风能，太阳能和潮汐能)的非常规能源可以以压缩空气(CA，compressedair)的形式被存储，直到遇到需要额外能源的情况。例如，在安大略的一个温暖的晴天，各太阳能和风力发电场产生了过量的电能，由于不能在安大略消耗和储存，这些电能会被免费赠送或以低于成本的价格出售。较小规模的压缩空气存储可以帮助社区和工业实体吸收更多的可再生能源并同时节省资金。例如，如果一个偏远的矿井安装了压缩空气存储系统，以在白天有风时将产生的多余能量以压缩空气的形式存储，随后压缩空气将能够产生电能，以便该矿井在其他时间运行。如果工业园区或社区与电网连接，则存储在压缩空气中的能量可以被转换为电能，并在高峰时段输送回电网，以降低工业园区或社区的能源成本。以下通过一大型工业园区的实施例来展示能源储存的潜力。该园区可以建造压缩空气存储设施，并安装可提供3-4￠/kWh能量的风力涡轮机，并使用多余的风能或午夜时廉价的非高峰电能为压缩空气存储系统充电。在白天期间，当电网供应的电能成本较高时，压缩空气系统向工业园区提供电能。1-50MWh的压缩空气存储系统可以使各个社区脱离电网，拥有社区自己的可再生能源和能源存储能力，而无需由外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于存储压缩气体的储存容器，其包括：/n一设置在地下的钻井孔；/n一设置于钻井孔内的套管且该套管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；和/n至少一个气体流量调节器，其被密封在套管的顶端，用于选择性地将压缩气体注入所述空间或从所述空间排出压缩气体，其中，所述压缩气体由可再生能源产生，所述可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能和地热能。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180319 US 62/644,6961.一种用于存储压缩气体的储存容器，其包括：
一设置在地下的钻井孔；
一设置于钻井孔内的套管且该套管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；和
至少一个气体流量调节器，其被密封在套管的顶端，用于选择性地将压缩气体注入所述空间或从所述空间排出压缩气体，其中，所述压缩气体由可再生能源产生，所述可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能和地热能。


2.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，井的有效容积为1-8m3/(100m井长)。


3.根据权利要求2所述的储存容器，其特征在于，井的总体积为50-100m3。


4.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，所述钻井孔在地下垂直，倾斜或水平设置。


5.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，所储存的压缩气体具有5MPa-100MPa的压力和50℃-250℃的温度。


6.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，每个套管和其水泥层都是耐腐蚀的，并且可以承受5MPa-100MPa的压力和50℃-250℃的温度。


7.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，还包括基塞或底部密封件以便密封套管的底端，防止压缩气体泄漏。


8.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，所述套管包括多个部分，所述多个部分包括随着钻井孔长度的延长而直径逐渐减小的套管。


9.根据权利要求1所述的储存容器，还包括：顶部密封件，其设置在所述套管的顶部；以及至少一个供应管，其穿设所述顶部密封件且与至少一个阀连接，以允许将所述压缩气体注入所述储存容器中的容积空间或从所述储存容器中的容积空间被排出。


10.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，至少一个气体流量调节器是允许注入和产生所述压缩气体的井口的阀。


11.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，所述压缩气体为被压缩的空气。


12.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，所述压缩气体的压力为50MPa。


13.根据权利要求1所述的储存容器，其特征在于，被套管覆盖的钻井孔的容积为7m3/(100m长度)，深度为1000米，总体积为70m3。


14.一种用于以压缩气体形式存储能量的系统，其包括：
一个或多个用于存储压缩气体的能量储存容器，每个能量储存容器均包括：
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗曼·A·布莱克，莫里斯·B·杜西奥尔特，
申请(专利权)人：清洁科技地质力学有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA