Vraag en antwoord:olie- en gasbronnen voor energieopslag

Professor Iraj Ershaghi en een team van onderzoekers van de Universiteit van Zuid-Californië (USC) hebben een manier gevonden om inactieve olie- en gasbronnen te gebruiken voor energieopslag - een van de grootste zorgen voor de opwekking van zonne- en windenergie.

Tech Briefs: Waar komt dit idee vandaan?

Professor Iraj Ershaghi: Een groot probleem in dit land is wat te doen met het grote aantal olie- en gasbronnen die het einde van hun productieve leven hebben bereikt en voorgoed moeten worden verlaten. Verlaten van de bron is een groot probleem waarmee alle oliemaatschappijen worden geconfronteerd. Ik heb het over de grote bedrijven - kleinere bedrijven die het zich soms niet kunnen veroorloven om de kosten van het verlaten te betalen, kunnen gewoon failliet gaan en weglopen. Het wordt dan een verantwoordelijkheid van de staat en de kosten van verlating kunnen enorm zijn.

Er zijn meer dan 37.000 Wells in Californië die momenteel inactief zijn, en in de hele VS heb je het over meer dan een miljoen. Ik heb altijd enige interesse gehad in het probleem van het verlaten van een put en nadenken over wat de technische gemeenschap kan doen om de kosten van het verlaten van de put te verlagen en dit effectiever te doen.

Een probleem is dat wanneer u een put op de verkeerde manier verlaat, deze een bron van gaslekkage kan worden. Dit is niet alleen slecht vanwege de bijdrage aan broeikasgassen, maar het is ook niet leuk om onbewust een huis op een verlaten put te bouwen en vervolgens te ervaren dat er gas in de garage lekt.

Ik had de vraag onderzocht waarom dit gebeurt. Een van mijn gedachten was dat het misschien niet goed was achtergelaten, misschien was het cement dat ze gebruikten niet goed. Dus een deel van mijn interesse was hoe ik het efficiënter en verantwoordelijker kon doen. In veel gevallen is het zelfs moeilijk om een ​​verlaten put te lokaliseren, want wanneer iemand deze verlaat, snijden ze de putmond af zodat deze verborgen kan worden.

Toen benaderde een bedrijf ons en zei dat ze geïnteresseerd zouden zijn om met USC samen te werken om te zien of we hen konden helpen met een groot probleem waarmee de sector van de hernieuwbare energie wordt geconfronteerd:energieopslag. Ze hadden de indruk dat misschien lege olie- en gasreservoirs als opslag zouden kunnen dienen. Mijn eerste reactie was:niet eens over nadenken. Het is niet verstandig om perslucht, met zuurstof, in koolwaterstofreservoirs te injecteren.

Ik was me ervan bewust dat de McIntosh Power Company in McIntosh, Alabama, had geboord in enorme geologische structuren gemaakt van zout, zoutkoepels genaamd. Ze creëerden holtes in deze zoutafzettingen om perslucht op te slaan in tijden dat een energiebron overtollige onnodige stroom produceert. Wanneer ze de opgeslagen energie moeten gebruiken, laten ze de perslucht vrij om een ​​turbine te laten draaien die elektriciteit produceert.

Hoewel we in Californië geen zoutkoepels hebben, weten we dat als je van het oppervlak helemaal naar beneden gaat naar de ondergrondse koolwaterstofzones, er lagen zandsteen zijn vol met oud zout zeewater. Dit zijn sedimenten die zijn afgezet op het moment dat Californië onder water stond, dus het watergehalte van deze geologische lagen is zout. We kregen het idee dat we misschien de McIntosh-aanpak konden gebruiken, maar in plaats daarvan de perslucht konden opslaan in deze zoute waterhoudende zandafzettingen. Een van onze faculteitsleden, Dr. Jha, berekende dat als je tot onder 4000 voet zou kunnen dalen, je genoeg opslagruimte zou hebben om 5 tot 10 megawatt elektriciteit te produceren in een straal van 2000 voet rond een inactieve put die als injectiebron is gebruikt. Er zijn vele hectare-voeten lagen rond putten in Californië die kunnen worden gebruikt voor een grote hoeveelheid opslag.

Regelgeving in Californië vereist dat nutsbedrijven tegen een bepaalde datum met een grote energieopslagcapaciteit komen. Nutsbedrijven die onder dit wetgevend mandaat vallen, hebben het moeilijk omdat ze op batterijen rekenden, en op dit moment is de batterijtechnologie nog niet goed genoeg om aan deze behoefte te voldoen. Toen drong het tot ons door dat een plausibele oplossing in Californië zou kunnen zijn om de zoute aquifer te gebruiken om perslucht op te slaan.

We hoorden van oliemaatschappijen dat ze dit gebruik van een deel van hun bronnen voor energieopslag zouden toejuichen, omdat het hen CO2-negatieve credits zou opleveren. In Californië moet je klimaatneutraal zijn - voor elk vat olie dat ze produceren, moeten operators op de een of andere manier laten zien dat ze de CO_{2 verminderen.} probleem.

We zijn nu in gesprek met een aantal operators die interesse hebben getoond om hun niet-gebruikte putten te gebruiken voor een demonstratieproject.

Mijn collega's en ik zijn erg enthousiast om te denken dat dit een transformatie zal zijn voor het faciliteren en introduceren van hernieuwbare energie op de Californische energiemarkt.

Tech Briefs: Waar leg je het cement ten opzichte van de watervoerende laag?

Professor Ershaghi: Een typische put heeft een reeks pijpen die naar de koolwaterstofafzettingen leiden. In een stationaire put wordt een cementplug boven de koolwaterstoflaag geplaatst. De oppervlaktemantel kan echter 50 of 70 voet onder het oppervlak worden afgesneden en opgevuld. Dit kan soms een milieuprobleem worden dat dure sanering vereist.

Aan de andere kant stellen we een oplossing voor waarbij de putmond niet hoeft te worden doorgesneden. De olie en het gas zouden 9000 voet verticaal onder het oppervlak kunnen zijn, maar er zou honderden voet zandsteen kunnen zijn met zout water, misschien 5000 voet onder het oppervlak. Deze afzettingen werden voorheen genegeerd vanwege het zoute water.

Als een zonne-energiebron overtollige stroom produceert, zou het perfect zijn als deze kan worden opgeslagen voor gebruik 's nachts of om elektrische stroom te leveren wanneer er een stroomstoring is. Mijn voorstel is om dat overtollige vermogen op te slaan voor later gebruik, wanneer het nodig is, door het te gebruiken om een ​​luchtcompressor te laten draaien. De perslucht wordt vervolgens in de zoutwaterhoudende zandsteen geïnjecteerd.

We doen iets soortgelijks als de waterdam, waar je elektriciteit maakt omdat water zijn potentiële energie vrijgeeft door over de dam naar beneden te stromen en een turbine te laten draaien. In dit scenario wordt de kinetische energie van de perslucht overgebracht naar het water dat een turbine en vervolgens een generator van energie voorziet. Wanneer de opgeslagen energie nodig is, stijgt de perslucht naar de oppervlakte en brengt een bak met water onder druk om een ​​turbine te laten draaien.

Daarnaast stellen we voor om sensoren aan het oppervlak van bestaande putten te plaatsen, zodat we ook in realtime eventuele koolwaterstoflekkage kunnen detecteren.

Omdat water een lage samendrukbaarheid heeft, kan de opgeslagen vormingsdruk bijvoorbeeld 3000 pond per vierkante inch zijn. Als je daar een paar dagen van produceert, daalt de druk heel snel. Wanneer het tot een bepaald niveau zakt, zeg 500 psi, start de compressor automatisch om de druk terug te brengen naar 3000 psi door meer lucht te injecteren.

Door de dikte en het oppervlak van de wetlandafzettingen te meten, weten we het volume en kunnen we berekenen hoeveel lucht we kunnen opslaan om te worden omgezet in stroom. Uit onze berekeningen blijkt dat dit niet meer dan een paar cent zou toevoegen aan de kosten van de elektriciteit.

Tech Briefs: Kun je iets meer uitleggen over de actie tussen lucht en water?

Professor Ershaghi: Het is vergelijkbaar met wat we doen als we aardgas opslaan. Aardgas sla je op in een oliereservoir. Wanneer u het gas injecteert, duwt het de olie terug en wanneer u produceert, produceert u. Het is net als een jojo die heen en weer gaat, heen en weer:injecteren en dan produceren.

We hebben berekend dat je per put 5 tot 10 megawatt kunt opslaan. Vermenigvuldig dat met de ongeveer 37.000 inactieve putten in Californië, en je hebt gigawatt. Dit zou een belangrijke bron van elektriciteit zijn. De staat zou zelfvoorzienend kunnen worden, hij zou geen brandstof meer hoeven te importeren. Dit zou een win-winsituatie zijn omdat de productie van olie en gas in Californië daalt, terwijl de vraag naar elektriciteit nergens heen gaat.

Laten we zeggen dat ik een olieveldoperator ben en dat ik misschien duizend putten heb. Ik zou kunnen weten dat een bepaald deel van het reservoir leeg was. Die putten zouden niet langer genoeg olie kunnen produceren om ze economisch levensvatbaar te maken. Er kunnen 10 tot 30 putten zijn in dat uitgeputte gebied. Daarmee bouw je gemakkelijk een installatie van 100 megawatt.

Het mooie van deze methode is dat deze in de meeste delen van de Verenigde Staten kan worden gebruikt - het is niet beperkt tot olieproducerende gebieden.

In New York heb je bijvoorbeeld geen grootschalige olie- en gasproductie, maar je hebt wel afzettingen van waterzanden boven de Devoon-schalie, die kunnen worden gebruikt. In elk deel van de VS, terwijl je naar beneden boort, zul je zoute watervoerende lagen zien. Een miljoen jaar geleden was een groot deel van de VS bedekt met waterwegen, dus er zijn nu overal natte sedimenten. Je zou in een staat kunnen zijn die nooit een druppel olie of gas heeft geproduceerd, maar het zou nog steeds deze natte lagen onder de grond hebben. Het Amerikaanse geologische onderzoek heeft kaarten die u de locatie van ondergrondse afzettingen van nat zand laten zien.

Tech Briefs: U zei dat in Californië dit zand zout water bevat; moet het zout zijn om dit te laten werken?

Professor Ershaghi: Met het tekort aan zoet water waarmee we in veel delen van de VS worden geconfronteerd, zou het geen goed idee zijn om hiervoor ondergrondse zoetwaterbronnen te gebruiken. Als we echter diep genoeg gaan, is al het water dat we ontdekken waarschijnlijk zout.

De uitleg vraagt ​​om een ​​korte les in geologie. Als je de temperatuur van de aarde voor de laatste 300 miljoen jaar in kaart brengt, laat het zien dat de temperatuur van de aarde soms erg hoog en soms erg laag was. Toen een groot deel van het aardoppervlak bedekt was met water, ging het door perioden van bevriezen en ontdooien. Hierdoor werden gebieden met rotsformaties geleidelijk afgebroken en de afvalmaterialen verzamelden zich.

De sedimenten gevormd door de rotserosie raakten verzadigd met zeewater met de opkomst van de oceanen. Dat is de reden waarom de diepste afzettingen van water zout zijn, terwijl het zoete water dat hard nodig is in plaatsen als Californië veel ondieper is en meestal wordt aangevuld met regenwater.

Zoals u weet, is er de afgelopen twee decennia inspanningen geleverd om koolstof af te vangen en vast te leggen. Het idee was dat als je te veel koolstofdioxide hebt, je het gewoon opslaat in ondergrondse geologische formaties. Maar er zijn zorgen over het lekken van kooldioxide. Dus in ons voorgestelde energieopslagconcept profiteren we ook van die ervaring, omdat er veel onderzoek en modellering is met betrekking tot ondergrondse CO₂ beslaglegging. Onze situatie is veel eenvoudiger, want als je lucht ondergronds opslaat, zelfs als het eruit lekt, wat maakt het uit - je voegt gewoon meer lucht aan de lucht toe, er is geen kooldioxide, er is geen giftige brandstof, het is gewoon lucht.

De reden dat mensen op dit moment niet zo snel hernieuwbare energiebronnen bouwen als nodig is, is omdat de economie er niet goed uitziet. Het is een feit dat het veel geld kost om deze faciliteiten te bouwen, en op dit moment gebruik je niet elke geproduceerde kilowatt, een aanzienlijk deel van deze stroom kan gewoon worden verspild zonder grootschalige opslag.

Dus als je een manier bedenkt om de elektriciteit op te slaan en die vervolgens te gebruiken wanneer je het nodig hebt, dan los je een groot economisch probleem op. Dat zou de uitbreiding van hernieuwbare bronnen veel acceptabeler maken voor investeerders en voor de samenleving in het algemeen.

Tech Briefs: Zegt u eigenlijk dat u bestaande technologie gebruikt, maar deze toepast op een manier die zuiniger en nuttiger is?

Professor Ershaghi: Ik denk dat onze bijdrage meer de volgende is. Ten eerste is het een bewezen technologie dat mensen lucht hebben opgeslagen in zoutkoepels. Onze eerste bijdrage is dat je geen zoutkoepel nodig hebt - zolang je een zoute watervoerende laag hebt, zou dat het werk kunnen doen. Ten tweede, de indruk is dat dit duur is omdat je de put moet boren. Maar we hebben laten zien dat we bestaande putten kunnen gebruiken die bestemd zijn om te worden verlaten. Dat is het idee. Gebruik dus in wezen de inactieve putten, gebruik een zoute aquifer en breid de technologie uit om deze algemeen beschikbaar te maken, terwijl de aansprakelijkheid voor de staten en het publiek voor de kosten van het verlaten van de put wordt verminderd.

Tech Briefs: Hoe zit het met de energie die verloren gaat bij het draaien van de compressor?

Professor Ershaghi: Laten we aannemen dat u een zonnebron van honderd megawatt gebruikt. Tegen de tijd dat je die honderd megawatt neemt en er perslucht mee produceert, als je naar de energiebalans kijkt, verlies je natuurlijk energie. Dus je hebt misschien een fractie van de megawatt die beschikbaar is.

Maar dat is moeder natuur. Het concept van entropie is dat er altijd energie verloren gaat in elk proces waar werk wordt gedaan. Dat is een onderzoeksgebied:hoe de verliezen te minimaliseren.

Dus nadat de 100 megawatt is omgezet in perslucht en het opslagproces heeft doorlopen en wordt geretourneerd, heb je misschien maar 60 megawatt die bruikbaar is. Maar het is beter om van 100 naar 60 te gaan dan helemaal geen bruikbare stroom te genereren.

Tech Briefs: Kun je kort beschrijven hoe de algehele operatie zou werken.

Professor Ershaghi: In de fabriek in Alabama gebruiken ze ter vergelijking de retourlucht om de compressor te laten draaien. Wanneer de lucht terugkomt, moet deze worden verwarmd om uit te zetten, zodat ze deze kunnen gebruiken. Als je dat doet, moet je aardgas verbranden om de warmte te produceren. Dat hebben we niet nodig omdat we een compressor gebruiken om het water onder druk te zetten. Het is de waterdruk die de turbine bedient.

Tech Briefs: Hoe draagt ​​de perslucht zijn energie over aan de turbine?

Professor Ershaghi: De teruggevoerde perslucht komt indien nodig naar de oppervlakte en brengt het water onder druk in een verticale hogedrukcontainer. De waterdruk activeert en laat de turbine draaien. Kinetische energie voor het opwekken van de elektriciteit komt van de druk van de perslucht.

Tech Briefs: Wat zouden de economische prikkels zijn om deze systemen te bouwen?

Professor Ershaghi: Allereerst hoeven we niet de put te boren en het vergunningsproces te doorlopen. In Californië zijn de meeste olie- en gaslanden 'fee lands'. Als ik een eigendomsrecht heb op een huis op een stuk grond, betekent dat dat ik alles bezit, van het oppervlak tot aan het middelpunt van de aarde. Als blijkt dat er een olieveld onder mijn land ligt, kan ik mijn rechten daarop verhuren aan een oliemaatschappij. Dit is over het algemeen in de vorm van een percentage van het inkomen van wat elke maand wordt geproduceerd.

Het land dat eigendom is van de meeste oliemaatschappijen is fee-land. Dus als ik een exploitant ben, die een aantal putten bezit, waarvan sommige economisch onproductief zijn, kan dit een bron van inkomsten zijn. Als ik die verlaten putten ombouw tot opslag, kan ik een nutsbedrijf vragen om ze te gebruiken. De exploitant zou dan een bron van inkomsten hebben uit deze niet-producerende putten. Ondertussen elimineren of stellen de operators de stopzettingskosten uit.

Dit kan ook een nieuwe bron van inkomsten zijn voor landeigenaren:het verhuren van hun ondergrondse rechten aan opslagbeheerders.

Nutsbedrijven zouden het de moeite waard vinden omdat ze de hoeveelheid olie en gas die ze nodig hebben om stroom op te wekken, zouden kunnen verminderen.

Tech Briefs: Kunnen er ondergrondse storingen zijn, zoals bij fracking?

Professor Ershaghi: Ik ben blij dat je die vraag hebt gesteld. Er was een rapport van de National Resource Council met een samenvatting van onderzoek naar de vraag of fracking aardtrillingen heeft veroorzaakt. Hun conclusies waren dat er geen bewijs is dat de feitelijke praktijk van fracking de trillingen heeft veroorzaakt. Ze concludeerden dat kleine aardbevingen werden veroorzaakt door gebruikte afvalvloeistoffen die in bergingsputten worden gepompt. Het continu toevoegen van deze vloeistoffen brengt het zand onder druk, waardoor de ondergrondse spanningsvelden veranderen.

Tech Briefs: Wat zijn je volgende stappen?

Professor Ershaghi: We zullen een demonstratieproject hebben, dat zal worden gefinancierd door nutsbedrijven of oliemaatschappijen. Ik verwacht dat we volgend najaar een site kunnen hebben. We hebben al enkele sites geïdentificeerd die ideaal zouden zijn, in ieder geval voor een demonstratie. Het zou $ 22 miljoen kunnen kosten voor een productiefaciliteit van 5 megawatt, inclusief verder onderzoek naar de interactie van olie en water. We zullen ook nieuwe materialen bestuderen, misschien nieuwe buizen plaatsen, misschien composieten gebruiken, verschillende soorten cement. Ons team bestaat uit elektrotechnici, onderzoekswetenschappers in grondwater, hydrologen, reservoiringenieurs en composietingenieurs die zullen werken aan het optimaliseren van het systeem. Daarnaast zullen we de karakterisering van de locatie bestuderen, niet alleen voor een goede geologie, maar ook voor de nabijheid van het elektriciteitsnet. We zijn ook van plan om digitale technologieën toe te passen voor site-monitoring.

Een bewerkte versie van dit interview verscheen in de Tech Briefs van februari 2021.