Heruitvinding van ongebruikte olie- en gasputten als hernieuwbare energietopslag — USC-onderzoek

Professor Iraj Ershaghi en een team onderzoekers aan de University of Southern California (USC) vonden een manier om ongebruikte olie- en gasputten te gebruiken voor energietopslag — een van de grote zorgen voor zonne- en windenergieopwekking.

Tech Briefs: Waar kwam dit idee vandaan?

Professor Iraj Ershaghi: Een groot probleem in dit land is wat te doen met het grote aantal olie- en gasputten dat het einde van hun productieve leven heeft bereikt en permanent aufgegeben moet worden. Putafsluiting is een groot probleem voor alle oliebedrijven. Ik spreek over de majors — kleinere bedrijven die de afsluitingskosten soms niet kunnen betalen, gaan failliet en lopen weg. Het wordt dan een verantwoordelijkheid van de staat, en de kosten kunnen enorm zijn.

Er zijn meer dan 37.000 putten in Californië die momenteel ongebruikt zijn, en in de hele VS gaat het om meer dan een miljoen. Ik had al enige interesse in putafsluiting en dacht na over wat de engineering community kan doen om de kosten te verlagen en het effectiever te doen.

Een probleem is dat onjuiste afsluiting een put kan maken tot bron van gaslekkage. Niet alleen is dit slecht voor broeikasgassen, maar het is ook niet prettig om onwetend een huis op een aufgegeben put te bouwen en dan gas in de garage te ervaren.

Ik keek naar de vraag waarom dit gebeurt. Een van mijn gedachten was misschien was het niet goed afgesloten, misschien was het cement niet juist. Dus deel van mijn interesse was hoe het efficiënter en verantwoordelijker te doen. In veel gevallen is het zelfs moeilijk een aufgegeben put te lokaliseren omdat bij afsluiting de putkop wordt afgekapt zodat het verborgen kan worden.

Toen benaderde een bedrijf ons en zei geïnteresseerd te zijn in samenwerking met USC om te kijken of we konden helpen met een significant probleem dat de hernieuwbare energie-industrie kent — energietopslag. Zij hadden de indruk dat lege olie- en gasreservoirs als opslag konden dienen. Mijn eerste reactie was: denk er niet eens aan. Het is niet verstandig om gecomprimeerde lucht, met zuurstof, in koolwaterstofreservoirs te injecteren.

Ik wist dat de McIntosh Power Company in McIntosh, Alabama, had geboord in enorme geologische structuren van zout, zogenaamde zoutdommen. Ze creëerden caviteiten in deze zoutafzettingen om gecomprimeerde lucht op te slaan wanneer een energiebron overmatige onbenodigde stroom produceert. Wanneer ze de opgeslagen energie nodig hebben, laten ze de gecomprimeerde lucht los om een turbine aan te drijven die elektriciteit produceert.

Hoewel we geen zoutdommen in Californië hebben, weten we dat van het oppervlak tot de ondergrondse koolwaterstofzones, er lagen zandsteen vol oude zoute zeewater liggen. Dit zijn sedimenten die afgestort zijn toen Californië door water bedekt was, dus de waterinhoud van deze geologische lagen is zout. We kregen het idee dat we misschien de McIntosh-aanpak konden gebruiken, maar in plaats daarvan de gecomprimeerde lucht in deze zoutwater-bevattende zandafzettingen opslaan. Een van onze faculteitsleden, Dr. Jha, berekende dat als je onder de 1.200 meter (4.000 voet) kunt gaan, je voldoende opslag kunt hebben om 5 tot 10 megawatt elektriciteit te produceren in een straal van 600 meter (2.000 voet) om een ongebruikte put die heringezet is als injectieput. Er zijn veel acre-voet lagen rond putten in Californië die gebruikt kunnen worden voor grote hoeveelheden opslag.

Californische wetgeving vereist dat utiliteitsbedrijven tegen een bepaalde datum grote energietopslagcapaciteit realiseren. Utiliteitsbedrijven worstelen onder deze wettelijke verplichting omdat ze vertrouwden op batterijen, en batterijtechnologie is nog niet ver genoeg om deze behoefte te voldoen. Dat was het moment dat ons dawn dat een plausibele oplossing in Californië zou kunnen zijn om de zoute aquifer te gebruiken voor gecomprimeerde-luchtopslag.

We hoorden van oliebedrijven dat ze dit gebruik van hun putten voor energietopslag welkom zouden heten, omdat het hen koolstofnegatieve credits zou geven. In Californië moet je koolstofneutraal zijn — voor elke vat olie die ze produceren, moeten operators laten zien dat ze de CO₂-uitstoot mitigeren.

We praten nu met enkele operators die interesse getoond hebben in het gebruik van hun ongebruikte putten voor een demonstratieproject.

Mijn collega's en ik zijn erg enthousiast om te denken dat dit transformationeel zal zijn voor het faciliteren en brengen van hernieuwbare energie in de Californische energiemarkt.

Tech Briefs: Waar plaats je het cement ten opzichte van de aquifer?

Professor Ershaghi: Een typische put heeft een serie pijpen naar de koolwaterstofafzettingen. In een ongebruikte put wordt een cementpfrop boven de koolwaterstoflaag geplaatst. De oppervlaktebuis kan echter 15 tot 20 meter onder het oppervlak afgekapt en opgevuld worden. Dit kan soms een milieukwestie worden die kostbare sanering vereist.

Aan de andere kant stellen we een oplossing voor die niet vereist dat de putkop wordt afgekapt. De olie en gas kunnen 2.700 meter (9.000 voet) verticaal onder het oppervlak liggen, maar er kunnen honderden meters zandsteen met zoutwater zijn, misschien 1.500 meter (5.000 voet) onder het oppervlak. Deze afzettingen zijn eerder genegeerd vanwege het zoute water.

Als een zonne-energiebron overmatige stroom produceert, zou het perfect zijn als die opgeslagen kan worden voor gebruik 's nachts of om elektriciteit te leveren bij een brownout. Mijn voorstel is om die overmatige stroom op te slaan voor later gebruik, door er een luchtcompressor mee te draaien. De gecomprimeerde lucht wordt dan geïnjecteerd in de zoutwaterdragende zandsteen.

We doen iets vergelijkbaars met een waterdam, waar elektriciteit gemaakt wordt omdat water potentiele energie vrijgeeft door naar beneden te stromen over de dam en een turbine aan te drijven. In dit scenario wordt de kinetische energie van de gecomprimeerde lucht overgedragen aan het water dat een turbine en vervolgens een generator energieert. Wanneer de opgeslagen energie nodig is, stijgt de geperzichte lucht naar het oppervlak en perziceert een watercontainer om een turbine aan te drijven.

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

Omdat water een lage comprimeerbaarheid heeft, kan de opgeslagen formatiedruk bijvoorbeeld 207 bar (3.000 psi) zijn. Als je een paar dagen produceert, daalt de druk snel. Als het daalt tot een bepaald niveau, zeg 34 bar (500 psi), start de compressor automatisch om de druk terug te brengen naar 207 bar door meer lucht te injecteren.

Door de dikte en oppervlakte van de natte afzettingen te meten, weten we het volume en kunnen we berekenen hoeveel lucht opgeslagen kan worden om te converteren naar vermogen. Onze berekeningen tonen aan dat dit niet meer dan een paar centen aan de kosten van de elektriciteit zou toevoegen.

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

Professor Ershaghi: Het is vergelijkbaar met wat we doen bij opslag van aardgas. Je slaat aardgas op in een oliereservoir. Als je het gas injecteert, duwt het de olie terug en bij productie produceer je. Het is net als een jo-jo heen en weer, heen en weer: injecteren en produceren.

We hebben berekend dat je 5 tot 10 megawatt per put kunt opslaan. Vermenigvuldig dat met de ongeveer 37.000 ongebruikte putten in Californië, en je hebt gigawatts. Dit zou een grote bron van elektriciteit zijn. De staat zou zelfvoorzienend kunnen worden, het zou geen brandstof meer hoeven te importeren. Dit zou win-win zijn omdat de productie van olie en gas in Californië daalt, terwijl de vraag naar elektriciteit niet weggaat.

Laten we zeggen dat ik een olieveldexploitant ben, en ik heb duizend putten. Ik kan weten dat een bepaald deel van het reservoir uitgeput is. Die putten zouden niet meer genoeg olie produceren om economisch levensvatbaar te zijn. Er kunnen 10 tot 30 putten in dat uitgeputte gebied zijn. Met die kun je gemakkelijk een 100-megawatt-faciliteit bouwen.

De schoonheid van deze methode is dat het in de meeste delen van de VS gebruikt kan worden — het is niet beperkt tot olieproducerende gebieden.

Bijvoorbeeld in New York, hoewel je geen grootschalige olie- en gasproductie hebt, heb je wel afzettingen van waterzand boven de Devonische schist, die gebruikt kunnen worden. In elk deel van de VS, als je dieper boort, zie je zoute aquifers. Een miljoen jaar geleden was een groot deel van de VS bedekt door waterwegen, dus er zijn nu natte sedimenten overal ondergronds. Je kunt in een staat zijn die nooit een druppel olie of gas produceerde, maar die toch deze natte lagen ondergronds heeft. De US Geological Survey heeft kaarten die de locatie van ondergrondse afzettingen van natte zanden tonen.

Tech Briefs: Je noemde dat in Californië deze zanden zoutwater bevatten; moet het zout zijn voor dit te werken?

Professor Ershaghi: Met de tekortkoming aan zoetwater die we in veel delen van de VS tegenkomen, zou het geen goed idee zijn om ondergrondse zoetwaterbronnen hiervoor te gebruiken. Echter, als we diep genoeg gaan, is elk water dat we ontdekken waarschijnlijk zout.

De verklaring vereist een korte les in geologie. Als je de aardstemperatuur van de laatste 300 miljoen jaar plot, toont het essentieel dat de temperatuur soms erg hoog en soms erg laag was. Toen een groot deel van de aardoppervlakte met water bedekt was, ging het door periodes van bevriezen en ontdooien. Dit brak geleidelijk gesteenteformaties af, en de detritale materialen hiepen zich op.

De sedimenten gevormd door gesteentelerosie werden verzadigd met zeewater met de stijging van de oceanen. Daarom zijn de diepste waterafzettingen zout, terwijl het zoetwater dat dringend nodig is in plekken als Californië veel ondieper is en meestal bijgeregend wordt met regenwater.

Zoals je weet, is er al twee decennia een inspanning voor CO₂-afvang en -opslag. Het idee was dat als je te veel koolstofdioxide hebt, je het gewoon in ondergrondse geologische formaties opslaat. Maar er zijn zorgen geweest over CO₂-lekkage. In ons voorgestelde energietopslagconcept profiteren we ook van die ervaring, want er is veel onderzoek en modellering betreffende ondergrondse CO₂-opslag. Onze situatie is veel simpeler want als je lucht ondergronds opslaat, en het lekt uit, wie ergerert zich — je voegt gewoon meer lucht toe aan de lucht, er is geen koolstofdioxide, geen giftig brandstof, het is gewoon lucht.

Op dit moment is de reden dat mensen hernieuwbare energie niet zo snel bouwen als nodig, dat de economie er niet goed uitziet. Het feit is, het kost veel geld om deze faciliteiten te bouwen, en op dit moment gebruik je niet elke kilowatt die gegenereerd wordt, een significant deel van deze stroom zou gewoon verspild kunnen worden zonder grootschalige opslag.

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

Tech Briefs: Bedoel je eigenlijk dat je bestaande technologie gebruikt maar op een meer economische en nuttige manier toepast?

Professor Ershaghi: Ik denk dat onze bijdrage meer het volgende is. Nummer een, het is een bewezen technologie, dat mensen lucht in zoutdommen hebben opgeslagen. Onze eerste bijdrage is dat je geen zoutdom nodig hebt — zolang je een zoute aquifer hebt, kan dat het werk doen. Nummer twee, 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 voor afsluiting. Dat is het idee. Dus essentieel: ongebruikte putten gebruiken, een zoute aquifer gebruiken, en de technologie uitbreiden om breed beschikbaar te maken, terwijl de aansprakelijkheid voor staten en het publiek voor afsluitingskosten wordt verminderd.

Tech Briefs: Wat over het energieverlies door de compressor te draaien?

Professor Ershaghi: Laten we aannemen dat je een 100-megawatt zonnebron gebruikt. Op het moment dat je die 100 megawatt neemt en gebruikt om gecomprimeerde lucht te produceren, als je naar de energiebalans kijkt, verlies je natuurlijk energie. Dus je hebt misschien een fractie van de megawatts beschikbaar.

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

Dus, nadat de 100 megawatt geconverteerd zijn naar gecomprimeerde lucht en het door het opslagproces gaat en terugkeert, heb je misschien nog 60 megawatt bruikbaar. Maar het is beter om van 100 naar 60 te gaan dan geen bruikbare stroom te genereren.

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

Professor Ershaghi: In de Alabama-faciliteit, voor een vergelijking, gebruiken ze de terugkerende lucht om de compressor te draaien. Wanneer de lucht terugkomt, moet het opgebrand worden om uit te rekken zodat ze het kunnen gebruiken. Als je dat doet, moet je aardgas verbranden om de hitte te produceren. Wij hebben dat niet nodig omdat we een compressor gebruiken om druk op het water uit te oefenen. Het is de waterdruk die de turbine bedient.

Tech Briefs: Hoe overdraagt de gecomprimeerde lucht zijn energie aan de turbine?

Professor Ershaghi: De terugkerende gecomprimeerde lucht komt naar het oppervlak wanneer nodig, en perziceert het water in een hoge-druk verticale container. De waterdruk activeert en draait de turbine. Kinetische energie voor het genereren van elektriciteit komt van de druk van de gecomprimeerde lucht.

Tech Briefs: Wat zouden de economische prikkels zijn voor het bouwen van deze systemen?

Professor Ershaghi: Allereerst hoeven we de put niet te boren en door het vergunningproces te gaan. In Californië zijn de meeste olie- en gasgronden 'fee lands'. Als ik titel heb op een huis op fee land, betekent dat dat ik alles bezit van het oppervlak tot het centrum van de aarde. Als het blijkt dat er een olieveld onder mijn land ligt, kan ik mijn rechten verhuuren aan een oliebedrijf. Dit is meestal in de vorm van een percentage van het inkomen uit wat maandelijks geproduceerd wordt.

Het land dat de meeste oliebedrijven bezitten is fee land. Dus als ik een exploitant ben die een aantal putten bezit, waarvan sommige economisch onproductief zijn, zou dit een inkomstenbron kunnen zijn. Als ik die aufgegeben putten converteer naar opslag, kan ik een utiliteitsbedrijf tarieven hanteren voor het recht om ze te gebruiken. De exploitant zou dan een inkomstenbron hebben van deze niet-producerende putten. Tegenovergesteld, elimineren of uitstellen de operators de afsluitingskosten.

Dit zou ook een nieuwe inkomstenbron voor landeigenaren kunnen zijn: het verhuuren van hun ondergrondse rechten aan opslagoperators.

Utiliteitsbedrijven zouden het waard vinden omdat ze de hoeveelheid olie en gas die ze nodig hebben voor stroomopwekking kunnen reduceren.

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

Professor Ershaghi: Ik ben blij dat je die vraag stelt. Er was een rapport van de National Resource Council die onderzoek samenvatte over of fracking aardbevingen veroorzaakt. Hun conclusies waren dat er geen bewijs is dat de praktijk van fracking zelf de bevingen veroorzaakte. Ze concludeerden dat kleine aardbevingen veroorzaakt werden door gebruikte afvalvloeistoffen die in afvalputten gepompt worden. Continu het toevoegen van deze vloeistoffen perziceert het zand, wat de ondergrondse spanningsvelden verandert.

Tech Briefs: Wat zijn de volgende stappen?

Professor Ershaghi: We zullen een demonstratieproject hebben, gefinancierd door utiliteitsbedrijven of oliebedrijven. Ik verwacht dat we volgende herfst een locatie kunnen hebben. We hebben al enkele ideale locaties geïdentificeerd, tenminste voor een demonstratie. Het kan $22 miljoen kosten voor een 5-megawatt productiefaciliteit, inclusief verder onderzoek op de interactie van olie en water. We zullen ook nieuwe materialen bestuderen, misschien nieuwe buizen plaatsen, misschien composieten, verschillende cemente. Ons team omvat elektrotechnici, onderzoekers in grondwater, hydrologen, reservoiringenieurs en composietingenieurs die zullen werken aan het optimaliseren van het systeem. Daarnaast zullen we sitkarakterisatie bestuderen, niet alleen voor juiste geologie maar ook voor nabijheid aan het elektriciteitsnet. We willen ook digitale technologieën toepassen voor sitmonitoring.

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