基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统及其方法

本发明涉及风电光伏储能和咸水层co2封存，尤其涉及一种基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统及其实验方法。

背景技术：

1、我国能源结构中煤炭、石油、天然气的占比约为85％，非碳能源的占比仅为15％，目前一次能源消费总量约为每年50亿吨标准煤，co2排放量100亿吨左右。调整能源结构、降低煤炭及石油消耗是从源头上减少co2排放的根本途径。大力发展风能、太阳能等清洁可再生能源是调整能源结构、解决能源供应矛盾和应对气候变化的重要措施。

2、我国风电和光伏发电装机容量超过6亿千瓦，特别是西北地区，风电和光伏装机规模大。但由于大部分可再生能源具有分布分散、间歇性、可控性差等特点，导致与电网在时间、空间和强度上不匹配，特别是在用电低谷期，大量可再生能源难以得到有效利用而只能被舍弃，这不仅造成了资源和能源的巨大浪费，同时也严重制约了可再生能源发电装机规模的进一步扩大。2020年全国因电网消纳不足导致的弃风电量约166亿kw·h，弃光电量约52.6亿kw·h，2021年弃风弃光电量也超过200亿kw·h。大规模的储能技术是解决风能、太阳能等间歇性清洁能源高效利用和持续发展的关键，是提高电网中可再生能源渗透率的必然选择。

3、中国东南沿海地区人口稠密、经济发达、电力需求大。近几年海上风电发展迅速，截至2021年年底，累计装机5237台,容量达到2535.2万千瓦。江苏省海上风电累计装机容量达1180.5万千瓦，占总装机容量的46.5％，其次为广东的24.6％。随着海上风电装机规模的迅速扩大，其不稳定性冲击电网的问题将会出现，因此发展与海上风电相匹配的大规模储能技术迫在眉睫。

4、中国陆地及毗邻海域沉积盆地特别发育，沉积盆地总面积约574.8×104km2，其中面积大于200km2的盆地有417个，特别是西北地区以及东南沿海的毗邻海域沉积盆地发育好，面积大。沉积盆地下赋存着丰富的咸水层，而咸水层是大规模储能和co2地质封存的最佳场所。

5、咸水层是世界公认的最佳co2地质封存场所，我国咸水层co2可封存容量达1.435×1011t。目前国外已经开展了多处咸水层co2封存的实践，国内也在鄂尔多斯开展了示范工程，论证了该方案的可行性和可靠性。咸水层co2封存具有封存量大的优点但也存在完全溶解和石化所需周期长的缺点，动辄几百数千年，导致经济性差。目前单一目的的co2地质封存，社会和环保效益好、经济效益差。如果在漫长封存过程中，合理利用咸水层的封存空间，将可创造更好的经济效益。因此，咸水层封存co2协同储能的高附加值开发利用模式，是绿色低碳社会的必然发展趋势。

6、咸水层具有良好的盖层顶板和储存空间，是压缩空气储能的优良场所。相对于其它形式的储能，咸水层储能具有成本低、储量大和分布广泛的特点。咸水层压缩空气储能是解决风电和光伏波动性的最佳措施之一，而巨大的垫气(缓冲气)充注量是其面临的主要问题之一。如果采用co2代替空气作为储能介质，既达到了储能目的，又封存了co2，还提高了系统的储能密度、能量效率和安全性，同时作为垫气的大量co2直接就地封存，一举多得。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种面向风电光伏需求的基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统及其实验方法。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，包括低压井、高压井、上部盖层、低压咸水层、下部盖层、高压咸水层、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、膨胀机、电动机/发电机、压缩机、风电/光伏发电系统、电网；所述电动机/发电机、风电/光伏发电系统和电网三者互相连通；所述电动机/发电机一端与压缩机相连，其另一端与膨胀机相连；所述压缩机的进口与所述第一阀门相连，所述压缩机的出口与所述第二阀门相连；所述膨胀机的进口与所述第三阀门相连，所述膨胀机的出口与所述第四阀门相连；所述第一阀门和所述第四阀门并联后与所述低压井相连；所述第二阀门和所述第三阀门并联后与所述高压井相连；所述上部盖层、低压咸水层、下部盖层、高压咸水层由上而下依次分布设置；所述低压井穿过所述上部盖层后与所述低压咸水层连接，所述高压井分别穿过所述上部盖层、低压咸水层和下部盖层后与所述高压咸水层连接。

3、本系统为一种面向于风电光伏需求的基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，可解决风电和光伏的不平衡性，又可以为电网调峰，封存co2。

4、系统采用二氧化碳作为储能介质。

5、所述低压咸水层的深度大于800m。

6、所述高压咸水层的深度大于等于1500m。

7、一种基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统的实验方法，，系统分为三个工作模式，分别为：

8、a、直接供电模式：

9、当电网有电力调度需求时，风电/光伏发电系统与电网直接相连向电网提供电力；

10、b、储能模式：

11、在风电和光伏弃电时或电力需求低谷时，风电/光伏发电系统与电动机/发电机相连，电能驱动电动机，电动机带动压缩机旋转；此时第一阀门和第二阀门打开，第三阀门和第四阀门关闭；低压咸水层内的co2经低压井和第一阀门后到达压缩机，经压缩机加压变为高压co2；高压co2经第二阀门和高压井后进入高压咸水层，实现了能量的储存；

12、c、取能模式：

13、电力需求高峰时，第一阀门和第二阀门关闭，第三阀门和第四阀门开启；高压咸水层内储存的co2，经过高压井和第三阀门后进入膨胀机，驱动膨胀机旋转；膨胀机驱动电动机/发电机旋转进行发电，发的电进入电网；发完电后，膨胀机出口的低压co2，经第四阀门和低压井进入低压咸水层，实现了能量的提取。

14、与现有技术对比，本发明的优点在于：本系统采用co2代替空气作为储能介质进行咸水层储能，既达到了储能目的，又封存了co2，还提高了系统的储能密度、能量效率和安全性，同时作为垫气的大量co2直接就地封存，一举多得。采用高低压咸水层进行储能，低压咸水层在浅部，高压咸水层在深部，合理利用了不同深度咸水层的压力，节约了地面空间，降低了储能费用。

技术特征：

1.一种基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，其特征在于：包括低压井、高压井、上部盖层、低压咸水层、下部盖层、高压咸水层、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、膨胀机、电动机/发电机、压缩机、风电/光伏发电系统、电网；所述电动机/发电机、风电/光伏发电系统和电网三者互相连通；所述电动机/发电机一端与压缩机相连，其另一端与膨胀机相连；所述压缩机的进口与所述第一阀门相连，所述压缩机的出口与所述第二阀门相连；所述膨胀机的进口与所述第三阀门相连，所述膨胀机的出口与所述第四阀门相连；所述第一阀门和所述第四阀门并联后与所述低压井相连；所述第二阀门和所述第三阀门并联后与所述高压井相连；所述上部盖层、低压咸水层、下部盖层、高压咸水层由上而下依次分布设置；所述低压井穿过所述上部盖层后与所述低压咸水层连接，所述高压井分别穿过所述上部盖层、低压咸水层和下部盖层后与所述高压咸水层连接。

2.根据权利要求1所述的基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，其特征在于：系统采用二氧化碳作为储能介质。

3.根据权利要求1所述的基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，其特征在于：所述低压咸水层的深度大于800m。

4.根据权利要求1所述的基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，其特征在于：所述高压咸水层的深度大于等于1500m。

5.一种权利要求1所述的基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统的实验方法，其特征在于，系统分为三个工作模式，分别为：

技术总结本发明公开了一种基于咸水层的压缩二氧化碳储能封存系统，包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、膨胀机、电动机/发电机、压缩机、风电/光伏发电系统、电网、以及由上而下依次分布的上部盖层、低压咸水层、下部盖层、高压咸水层，还包括与低压咸水层连接的低压井，与高压咸水层连接的高压井；电动机/发电机、风电/光伏发电系统和电网三者互相连通；电动机/发电机两端与压缩机、膨胀机分别相连；压缩机与第一阀门、第二阀门分别相连；膨胀机与第三阀门、第四阀门分别相连；第一阀门和第四阀门并联后与低压井相连；第二阀门和第三阀门并联后与高压井相连。本装置既可储能，又可封存CO2，提高了系统的储能密度、能量效率和安全性。技术研发人员：卜宪标,蒋坤卿,王令宝,李华山,龚宇烈受保护的技术使用者：中国科学院广州能源研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18