一种新型规模储能的方法

1.本发明属于新能源开发及规模储能领域，具体涉及一种基于中低温地热井的规模储能方法。


背景技术：

2.目前，规模储能技术主要以抽水蓄能与压缩空气储能为主，二者均可实现百兆瓦级的储能规模。然而，抽水蓄能对地质水文条件要求高，除了要求具备充足水源外，还需要储能电站建设位置具有一定的高度落差。压缩空气储能对地理水文条件要求低，主要依赖大容量储气室，一般选用地面高压容器或者地下岩洞作为储气空间，前者需要占据较大的地面空间，后者要求岩洞需要有足够容积。此外，压缩空气储能在空气循环充放过程中由于能量损失高，常常需要在地面通过补燃的方式提高空气压力，保证发电效率。补燃方式以甲烷作为燃料，在甲烷与空气混合燃烧过程中会产生温室气体，一定程度上削弱了新能源发电的优势。鉴于我国新能源产业中规模储能发展要滞后于风电、光电等产业，储能方面尚存在巨大缺口，亟需发展多种储能方式，从而更好的保障新能源产业的稳定发展。
3.我国地热资源十分丰富，已成为国家清洁能源战略的重点发展项目。地热能除了清洁、低碳等优点外，还具有不受季节、气候以及天气变化影响的优势。可在用电需求量大或用电高峰期进行循环介质发电，在用电低谷期时转入低功率运行。然而，我国地热能普遍存在储层温度偏低，直接发电利用困难等问题。例如，在2.5 km深度上，除藏南部分地区温度达到100～150℃外，其他地区温度均低于100 ℃。至4.5km深度上，藏南部分地区温度超过200 ℃，云贵及东部大部分地区温度超过100 ℃，但大多在150 ℃以下。由此可见，我国中低温（低于150 ℃）地热资源分布范围广，储量巨大，实现其高效开发，更具战略意义。谢和平院士指出我国是一个以中低温地热为主的国家，发展中低温地热发电技术更为重要。因此，国家也特别提出要“因地制宜发展中小型分布式中低温地热发电项目”。对于中低温地热储层而言，由于储层温度不足，当流经储层的取热介质循环到地面时，取热介质所携带的热量难以有效驱动发电机运转，从而导致中低温地热发电效率低，难以规模化利用。
4.综上所述，我国目前风电、光电装机容量发展迅速，但发电过程中存在间歇性与波动性等难题，特别是由于当前规模储能产业的发展滞后于风、光发电产业，导致弃风、弃光现象十分突出，存在大量富余电能。地热能发电不受季节和气候等因素影响，能够有效避免风电、光电利用过程中所存在的波动性难题，但是受中低温地热储层温度不足的限制，无法实现中低温地热能发电的大规模推广。由此可见，若是能将中低温地热能发电与规模储能结合起来，形成一种新型的规模储能方法，在解决弃风、弃光问题的基础上，同时实现中低温地热能的高效利用，必将实现新能源领域革新，促进新能源产业的快速发展，从而我国碳达峰碳中和战略提供技术支撑。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种新型规模储能的方法，其是以中低温地热井为基
础，在不依赖大容量洞室以及地面大型储气罐的基础上，实现富余风电、光电高效存储，同时，解决现有中低温地热资源开采利用效率低，无法大规模推广应用等问题，从而达到风、光和地热等新能源的协同开发与高效利用。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种新型规模储能的方法，具体包括以下步骤；步骤一：选址和增强型地热系统建造；首先，根据地质勘测参数确定中低温地热开采区域；其次，按照地热资源的开采要求，在地热储层内构造能够进行循环取热与发电的增强型地热系统，所述增强型地热系统由注入井、生产井以及储层裂缝网络组成，其中，注入井与生产井之间通过裂缝网络连通；步骤二：地热储层裂缝网络封堵；在地面将高分子聚合物材料与滑溜水充分混合后，通过高压泵及输送管路将高分子聚合物材料与滑溜水混合流体注入到裂缝网络内，利用储层的温度作用，使高分子聚合物材料膨胀变形，在裂缝网络形成充填体；步骤三：搭建储能发电系统；s31:在选址处建设热力发电站，于注入井内安装注入管道，并使注入管道的下端延伸到靠近注入井下端的部分，使注入管道的上端延伸到地面以上，于生产井内安装取热管道，并使取热管道的下端延伸到靠近生产井下端的部分，使取热管道的上端延伸到地面以上；s32:将注入管道的上端接入热力发电站，将取热管道的上端通过位于地面上的辅助加热系统接入热力发电站，使热力发电站、注入管道、裂缝网络和取热管道形成流体循环工作闭合回路；其中，辅助加热系统的内部存放有导热油，在辅助加热系统中的连接管道被导热油包围；步骤四：建立电力连接；建立富余风电、富余光电与辅助加热系统及空气压缩机之间的电力连接，建立热力发电站与电网之间的电力连接；步骤五：利用富余风电、光电进行储热储气；使用因电网消纳不足而产生的富余风电、富余光电驱动辅助加热系统对导热油进行加热，将风、光发电产生的富余电能转化为导热油的热能储存在辅助加热系统内；同时，利用富余风电、富余光电驱动空气压缩机将空气压缩，并通过增强型地热系统中的生产井注入到地热储层及其内部的裂缝网络储存起来；步骤六：地热井发电；s61：当因天气情况造成风、光发电效率低下或用电高峰时，首先通过生产井将地热储层及裂缝网络内储存的高压空气释放出来，然后导入热力发电站进行发电；s62：当地热储层及裂缝网络内储存的高压空气释放完毕后，利用热力发电站通过注入井内的注入管道向地热储层注入取热流体，使取热流体由注入井向地热储层的裂缝网络内部流动扩散，并与地热储层充分接触进行换热后转变成高温取热流体；s63：利用生产井中的取热管道将地热储层中的高温取热流体抽采到地面，然后经过辅助加热系统的二次加热保温后流入热力发电站进行发电；完成发电后，使取热流体再次由注入管道经注入井进入地热储层，开始下一次循环取热；
步骤七：交替进行储热和取热发电过程；根据发电和用电情况交替进行步骤五和步骤六，在风光发电产能多时，将富余风电和富余光电的电能转化热能，在风光发电量少或用电量大时进行取热发电，形成电力储能和释能发电的互补机制，从而保证电能稳定输出并网。
7.进一步，为了确保取热流体能够在地热储层中具有足够的换热时间，在步骤一中，注入井与生产井之间的间距在400m以上。
8.进一步，为了有效降低地热储层中裂缝网络的导流能力，在步骤二中，所述的高分子聚合物材料的直径在0.270～0.550mm范围内。
9.进一步，为了使管道能够长期稳定的运行，在步骤三中，所述注入管道和取热管道均为耐腐蚀耐高温管道。
10.进一步，为了能够迅速且高效的完成热交换过程，从而可以保证地热井的发电效率，在步骤六中，所述取热流体为超临界二氧化碳或水。
11.进一步，为了确保辅助加热系统能够具有良好的热稳定性能，在步骤三中，导热油为烷基联苯型导热油。
12.在本发明中，先利用地热储层中的储层裂缝连通注入井和生产井形成增强型地热系统，再利用安装于注入井中的注入管道连接热力发电站，利用安装于生产井中的取热管道通过辅助加热系统连接热力发电站，这样，便可以形成液体循环工作闭合回路。利用富余风电、富余光电产生的富余电能驱动辅助加热系统工作，可以通过富余电能对其中的导热油进行充分加热，不仅有效避免了富余电能浪费的情况发生，还实现了富余电能到热能的转化过程，达到了储能的目的。同时，还利用了富余风电、富余光电产生的富余电能驱动空气压缩机工作，进一步避免了富余电能浪费的情况发生，还实现了富余电能到空气压力储能的转化过程。将取热流体通过注入井注入到地热储层中，可以在裂缝网络内部的流动过程中充分的进行换热并形成高温取热流体，从而可以有效对地热能进行收集。由于在裂缝网络中注入了高分子聚合材料，高分子聚合材料在储层温度的作用下会在裂缝网络形成充填体，充值体可以在裂缝网络内起到一定的封堵作用，进而能够降低裂缝网络的导流能力，这样，便可以有效延缓取热流体在裂缝网络内的流动速度，能显著提高取热流体与储层岩石之间的换热效率；在用电高峰期时，先利用储存在地下储层及裂缝网络内的高压空气进行发电，再利用高温地热能进行发电，可以大幅度提高发电效率。使高温取热流体在进入热力发电站之前先通过辅助加热系统，可以利用由富余电能转化而来的热能对高温取热流体进行二次加热，进而可以进一步提高流体的温度，这样，可以确保来自地热井的取热流体在进入发电机组之前，其所携带的热量能够有效满足持续发电的输出要求，同时，还能大幅度提高热力发电的效率。通过这种方式，不仅大大提高了电能与热能之间的转化效率，还能使用中低温地热井内蕴含的热能对富余电能转化成的热能进行二次补充，实现了风能、光能与地热能集成耦合开发，提高以新能源为主体的电力系统的并网能力与适用性。
13.本发明以地热井取热发电技术为基础，额外增设了辅助加热系统，并将富余的风能、光能产生的电能一方面供给空气压缩机转化成空气压力储能，另一方面供给辅助加热系统转化成热能储存起来，在需要发电时先利用空气储能进行发电，再利用地热能进行发电，同时，在利用地热能的过程中，对来自地热井的取热流体进行二次加热，以提高取热流体的温度，使其所携带的热量可以有效驱动发电机的运转，从而充分满足热力发电的要求，
这样便可以充分将地热能发电与富余风电、光电的利用相结合起来，不仅有效解决了“弃风”、“弃光”等问题，还解决了现有中低温地热资源开采利用效率低的问题。由于在二次加热过程中所使用的电能来自于新能源产生的富余电能，因而这种储能方式既清洁又经济，达到了风、光和地热等新能源的协同高效开发利用的目的，有助于实现新能源领域的革新，并能促进新能源产业的快速发展。
附图说明
14.图1是本发明中地热开采选址和增强型地热系统的示意图；图2是本发明中储能发电系统的结构示意图；图3是本发明中利用富余风电与光电进行储热过程的示意图；图4本发明中地热井取热发电过程的示意图。
15.图中： 1、地热储层，2、注入井，3、生产井，4、裂缝网络，5、热力发电站，6、注入管道，7、取热管道，8、辅助加热系统，9、富余风电，10、富余光电，11、取热流体，12、高温取热流体。
实施方式
16.下面结合附图对本发明作进一步说明。
17.如图1至图4所示，本发明提供了一种提高地热能开采效率的方法，其是以地热井取热发电技术为基础，在此基础上额外增设辅助加热系统对取热流体进行二次加热，以满足热力发电要求，其中辅助加热系统由富余风电、光电驱动。首先，利用富余风电、光电进行产热储热，将电能转化成热能，从而达到储能目的；其次，在用电高峰期时，利用富余风电、光电转化的热能对地热井的取热流体二次加热，确保地热井的取热流体在进入发电机组之前，所携带的热量能够满足持续发电输出要求。利用上述方式，从而达到风、光发电的“削峰填谷”以及中低温地热资源的高效利用，具体包括以下步骤；步骤一：选址和增强型地热系统建造；如图1，根据地质储层分布情况以及周围风力、光照等 具体条件确定中低温地质开采区域；首先，根据地质勘测参数确定中低温地热开采区域；其次，按照地热资源的开采要求，在地热储层1内构造能够进行循环取热与发电的增强型地热系统，所述增强型地热系统由注入井2、生产井3以及储层裂缝网络4组成，其中，注入井2与生产井3之间通过裂缝网络4连通；为了确保取热流体能够在地热储层中具有足够的换热时间，注入井2与生产井3之间的间距在400m以上。
18.步骤二：地热储层裂缝网络封堵；为防止地热储层1内裂缝网络4导流能力过高，导致流体在裂缝网络4内流动过快，使用高分子聚合物材料对步骤一所形成的裂缝网络4进行封堵。具体方式为：在地面将高分子聚合物材料与滑溜水充分混合后，通过高压泵及输送管路将高分子聚合物材料与滑溜水混合流体注入到裂缝网络4内，在储层温度作用下，高分子聚合物材料会膨胀变形，在裂缝网络4形成充填体。充填体能够降低裂缝网络4的导流能力，延缓流体在裂缝网络内4的流动速度，提高流体与储层岩石之间的换热效率。
19.为了有效降低地热储层中裂缝网络的导流能力，所述的高分子聚合物材料的直径在0.270～0.550mm范围内。
20.步骤三：搭建储能发电系统；s31:在选址处建设热力发电站5，于注入井2内安装注入管道6，并使注入管道6的下端延伸到靠近注入井2下端的部分，使注入管道6的上端延伸到地面以上，于生产井3内安装取热管道7，并使取热管道7的下端延伸到靠近生产井3下端的部分，使取热管道7的上端延伸到地面以上；s32:将注入管道6的上端接入热力发电站5，将取热管道7的上端通过位于地面上的辅助加热系统8接入热力发电站5，使热力发电站5、注入管道6、裂缝网络4和取热管道7形成流体循环工作闭合回路；其中，辅助加热系统8的内部存放有导热油，在辅助加热系统8中的连接管道被导热油包围；作为一种优选，注入管道6和取热管道7均为耐腐蚀耐高温管道，作为进一步优选，辅助加热系统8具有保温隔热功能，这样，可以有效降低热量的损失，能避免因热量流失而产生的能量浪费情况发生；为了保证经过辅助加热系统8的取热流体能够迅速的被加热，辅助加热系统8中与取热管道8相连接的连接管道具有良好的传热性能；为了使管道能够长期稳定的运行，所述注入管道6和取热管道7均为耐腐蚀耐高温管道。
21.为了确保辅助加热系统能够具有良好的热稳定性能，导热油优选为烷基联苯型导热油。
22.步骤三：建立电力连接；建立富余风电9、富余光电10与辅助加热系统8及空气压缩机之间的电力连接，建立热力发电站5与电网之间的电力连接；步骤五：利用富余风电、光电进行储热储气；使用因电网消纳不足而产生的富余风电9、富余光电10驱动辅助加热系统8对导热油进行加热，将风、光发电产生的富余电能转化为导热油的热能储存在辅助加热系统8内。同时，利用富余风电9、富余光电10驱动空气压缩机将空气压缩，并通过增强型地热系统中的生产井3注入到地热储层1及其内部的裂缝网络4储存起来；步骤六：地热井发电；s61：当因天气情况造成风、光发电效率低下或用电高峰时，首先通过生产井3将地热储层2及裂缝网络4内储存的高压空气释放出来，然后导入热力发电站5进行发电；s62：当地热储层2及裂缝网络4内储存的高压空气释放完毕后，利用热力发电站5通过注入井2内的注入管道6向地热储层1注入取热流体11，使取热流体11由注入井2向地热储层1的裂缝网络4内部流动扩散，并与地热储层1充分接触进行换热后转变成高温取热流体12；s63：利用生产井3中的取热管道7将地热储层1中的高温取热流体12抽采到地面，然后经过辅助加热系统8的二次加热保温后流入热力发电站5进行发电；完成发电后，使取热流体11再次由注入管道6经注入井2进入地热储层1，开始下一次循环取热；为了能够迅速且高效的完成热交换过程，从而可以保证地热井的发电效率，所述取热流体11为超临界二氧化碳或水。
23.步骤七：交替进行储热和取热发电过程；
根据发电和用电情况交替进行步骤五和步骤六，在风光发电产能多时，将富余风电9和富余光电10的电能转化热能，在风光发电量少或用电量大时进行取热发电，形成电力储能和释能发电的互补机制，从而保证电能稳定输出并网。
24.在国家双碳战略的推动下，新能源正从补充能源向主体能源快速转变。其中风能、太阳能与地热能等新能源由于具有清洁、低碳且可再生等优点，已经成为新能源体系的重要组成部分。与传统化石能源相比，新能源在稳定性与持续性方面具有一定局限性。例如，风能与太阳能受季节、气候以及天气等因素影响大，发电过程中存在显著的波动性，风电在晴天等无风条件下出力将大大降低，而光伏在阴天及夜间出力也将出现骤降，风光的不可控性对电网形成了巨大挑战。与风电、光伏相比，地热能具有稳定性强，不受季节、天气等外部因素影响的优势，而且在利用过程中可以进行人为控制，即在用电高峰期时提高发电功率，而在用电低峰期时进行低功率运行。然而，地热发电效率受储层温度影响较大，一般认为储层温度超过180℃时，才能满足高效发电需求。我国地热资源虽然十分丰富，但主要以中低温地热为主，若是按照常规的地热能发电模式进行中低温地热开采，会造成发电效率低，开发规模有限等不利后果。
25.综合考虑风电、光伏以及中低温地热资源的优势与缺点，本发明提出了一种新型规模的方法，将新能源发电储能需求与地热能开发优势进行了技术集成，即充分利用风电、光伏低成本以及来源广泛的优势，又综合了地热能发电可控性强的特点，在用电低峰期时，先利用空气储能进行发电，再启动地热发电系统，并利用风电、光伏储存的热能对地热井的取热介质进行二次加热，使其达到发电要求，从而提高富余风电、光伏储能过程中电能与热能的转化效率，同时，提高了中低温地热的发电效率。本发明提出的利用“弃风”、“弃光”电能转化成热能为取热发电辅助加热的思路，有效的将富余风电、光电进行了及时的转化，避免了风、光等新能源发电受消纳能力限制而造成大量电能浪费的情况发生，也可以为新能源装机增产提供战略性的技术支撑，进而为储能产业的多样性以及规模化、市场化发展提供保障。

技术特征：
1.一种新型规模储能的方法，其特征在于，具体包括以下步骤；步骤一：选址和增强型地热系统建造；首先，根据地质勘测参数确定中低温地热开采区域；其次，按照地热资源的开采要求，在地热储层(1)内构造能够进行循环取热与发电的增强型地热系统，所述增强型地热系统由注入井(2)、生产井(3)以及储层裂缝网络(4)组成，其中，注入井(2)与生产井(3)之间通过裂缝网络(4)连通；步骤二：地热储层裂缝网络封堵；在地面将高分子聚合物材料与滑溜水充分混合后，通过高压泵及输送管路将高分子聚合物材料与滑溜水混合流体注入到裂缝网络(4)内，利用储层的温度作用，使高分子聚合物材料膨胀变形，并在裂缝网络(4)形成充填体；步骤三：搭建储能发电系统；s31:在选址处建设热力发电站(5)，于注入井(2)内安装注入管道(6)，并使注入管道(6)的下端延伸到靠近注入井(2)下端的部分，使注入管道(6)的上端延伸到地面以上，于生产井(3)内安装取热管道(7)，并使取热管道(7)的下端延伸到靠近生产井(3)下端的部分，使取热管道(7)的上端延伸到地面以上；s32:将注入管道(6)的上端接入热力发电站(5)，将取热管道(7)的上端通过位于地面上的辅助加热系统(8)接入热力发电站(5)，使热力发电站(5)、注入管道(6)、裂缝网络(4)和取热管道(7)形成流体循环工作闭合回路；其中，辅助加热系统(8)的内部存放有导热油，在辅助加热系统(8)中的连接管道被导热油包围；步骤四：建立电力连接；建立富余风电(9)、富余光电(10)与辅助加热系统(8)及空气压缩机之间的电力连接，建立热力发电站(5)与电网之间的电力连接；步骤五：利用富余风电、光电进行储热储气；使用因电网消纳不足而产生的富余风电(9)、富余光电(10)驱动辅助加热系统(8)对导热油进行加热，将风、光发电产生的富余电能转化为导热油的热能储存在辅助加热系统(8)内；同时，利用富余风电(9)、富余光电(10)驱动空气压缩机将空气压缩，并通过增强型地热系统中的生产井(3)注入到地热储层(1)及其内部的裂缝网络(4)储存起来；步骤六：地热井发电；s61：当因天气情况造成风、光发电效率低下或用电高峰时，首先通过生产井(3)将地热储层(2)及裂缝网络(4)内储存的高压空气释放出来，然后导入热力发电站(5)进行发电；s62：当地热储层(2)及裂缝网络(4)内储存的高压空气释放完毕后，利用热力发电站(5)通过注入井(2)内的注入管道(6)向地热储层(1)注入取热流体(11)，使取热流体(11)由注入井(2)向地热储层(1)的裂缝网络(4)内部流动扩散，并与地热储层(1)充分接触进行换热后转变成高温取热流体(12)；s63：利用生产井(3)中的取热管道(7)将地热储层(1)中的高温取热流体(12)抽采到地面，然后经过辅助加热系统(8)的二次加热保温后流入热力发电站(5)进行发电；完成发电后，使取热流体(11)再次由注入管道(6)经注入井(2)进入地热储层(1)，开始下一次循环取热；步骤七：交替进行储热和取热发电过程；
根据发电和用电情况交替进行步骤五和步骤六，在风光发电产能多时，将富余风电(9)和富余光电(10)的电能转化热能，在风光发电量少或用电量大时进行取热发电，形成电力储能和释能发电的互补机制，从而保证电能稳定输出并网。2.根据权利要求1所述的一种新型规模储能的方法，其特征在于，在步骤一中，注入井(2)与生产井(3)之间的间距在400m以上。3.根据权利要求1所述的一种新型规模储能的方法，其特征在于，在步骤二中，高分子聚合物材料的直径在0.270～0.550mm范围内。4.根据权利要求1或2所述的一种新型规模储能的方法，其特征在于，在步骤三中，所述注入管道(6)和取热管道(7)均为耐腐蚀耐高温管道。5.根据权利要求3所述的一种新型规模储能的方法，其特征在于，在步骤六中，所述取热流体(11)为超临界二氧化碳或水。6.根据权利要求4所述的一种新型规模储能的方法，其特征在于，在步骤三中，导热油为烷基联苯型导热油。

技术总结
一种新型规模储能的方法，构造能够进行循环取热与发电的增强型地热系统；地热储层裂缝网络封堵；将注入管道接入热力发电站，将取热管道通过辅助加热系统接入热力发电站；使用富余风电、富余光电驱动辅助加热系统对导热油进行加热；热力发电站通过注入井内的注入管道向地热储层注入取热流体，使取热流体由注入井向地热储层的裂缝网络内部流动扩散，并与地热储层充分接触进行换热后转变成高温取热流体；利用生产井中的取热管道将地热储层中的高温取热流体抽采到地面，然后经过辅助加热系统的二次加热保温后流入热力发电站进行发电；交替进行储热和取热发电过程，从而保证电能稳定输出并网。该方法能实现风、光和地热等新能源的协同开发与高效利用。同开发与高效利用。同开发与高效利用。


技术研发人员：蔡承政 邹增信 王博 高亚楠 刘江峰 周跃进 张志镇
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/6/13