Q＆A：エネルギー貯蔵用の石油およびガス井

Iraj Ershaghi教授と南カリフォルニア大学（USC）の研究者チームは、エネルギー貯蔵にアイドル状態の石油とガスの井戸を使用する方法を発見しました。これは、太陽光と風力のエネルギー生成の主要な懸念事項の1つです。

テクニカルブリーフ： このアイデアはどこから来たのですか？

Iraj Ershaghi教授： この国の主要な問題は、生産寿命が終わり、永久に放棄されなければならない多数の石油とガスの井戸をどうするかということです。井戸の放棄は、すべての石油会社が直面している大きな問題です。私はメジャーについて話している—放棄の費用を支払う余裕がないことがある中小企業は、破産を宣言して立ち去るだけかもしれない。その後、それは国家の責任となり、放棄の費用は莫大になる可能性があります。

カリフォルニアには現在アイドル状態のウェルが37,000以上あり、米国全体で100万以上について話していることになります。私は常に、井戸の放棄の問題に関心を持っていました。また、エンジニアリングコミュニティが放棄のコストを削減し、より効果的に行うために何ができるかを考えていました。

問題の1つは、井戸を不適切に放棄すると、ガス漏れの原因となる可能性があることです。これは温室効果ガスへの貢献のために悪いだけでなく、放棄された井戸の上に無意識のうちに家を建てて、ガスがガレージに漏れるのを経験するのは楽しいことではありません。

私はなぜこれが起こっているのかという質問を調べていました。私の考えの1つは、それが適切に放棄されなかったのかもしれないし、彼らが使用したセメントが適切でなかったのかもしれないということでした。ですから、私の興味の一部は、それをより効率的かつ責任を持って行う方法です。多くの場合、放棄された井戸を見つけることすら困難です。誰かがそれを放棄すると、井戸のケーシングを切り取って隠すことができるからです。

その後、ある会社が私たちに近づき、USCと協力して、再生可能エネルギー業界が直面している重大な問題であるエネルギー貯蔵について私たちが支援できるかどうかを検討することに関心があると述べました。彼らは、おそらく空の石油とガスの貯留層を貯蔵庫として使用できるという印象を持っていました。私の最初の反応は、それについて考えさえしないことでした。炭化水素貯留層に酸素を含む圧縮空気を注入することは賢明ではありません。

アラバマ州マッキントッシュにあるマッキントッシュ電力会社が、岩塩ドームと呼ばれる塩でできた巨大な地質構造を掘り下げていたことを私は知っていました。彼らは、エネルギー源が過剰な不要な電力を生成しているときに圧縮空気を貯蔵するために、これらの塩の堆積物に空洞を作成しました。蓄積されたエネルギーを使用する必要がある場合は、圧縮空気を放出して、電気を生成するタービンを稼働させます。

カリフォルニアには岩塩ドームはありませんが、地表から地下の炭化水素ゾーンに至るまで、古代の塩水で満たされた砂岩の層があることを私たちは知っています。これらはカリフォルニアが水で覆われたときに堆積した堆積物であるため、これらの地質層の含水量は塩分です。マッキントッシュのアプローチを使用できるかもしれないという考えが浮かびましたが、代わりに、圧縮空気をこれらの塩水を含む砂の堆積物に保管します。教員の1人であるJha博士は、4000フィートを下回ることができれば、注入井として再利用されたアイドル井戸の周囲2000フィートの半径で5〜10メガワットの電力を生成するのに十分なストレージがあると計算しました。カリフォルニアの井戸の周りには、大量の貯蔵に使用できる何エーカーフィートもの層があります。

カリフォルニア州の規制では、特定の日付までに、電力会社が大規模なエネルギー貯蔵容量を考案することを義務付けています。この立法上の義務の下での公益事業は、バッテリーを頼りにしていたために苦労しており、現在のところ、バッテリー技術はこのニーズを満たすのに十分ではありません。カリフォルニアでもっともらしい解決策は、圧縮空気を貯蔵するために塩水帯水層を使用することである可能性があることに気付いたのはそのときです。

石油会社からは、エネルギー貯蔵のためにいくつかの井戸をこのように使用することを歓迎すると聞いた。なぜなら、それは彼らに炭素の負のクレジットを与えるからである。カリフォルニアでは、カーボンニュートラルである必要があります。生産する石油1バレルごとに、オペレーターはCO_{2を軽減していることを何らかの方法で示す必要があります。} 問題。

現在、デモプロジェクトにアイドル状態の井戸を使用することに関心を示しているオペレーターの一部と話をしています。

私の同僚と私は、これが再生可能エネルギーを促進し、カリフォルニアのエネルギー市場に持ち込むための変革になると考えることに非常に興奮しています。

テクニカルブリーフ： 帯水層との関係でセメントをどこに置きますか？

Ershaghi教授： 典型的な井戸には、炭化水素鉱床につながる一連のパイプがあります。アイドル状態の井戸では、セメントプラグが炭化水素層の上に配置されます。ただし、表面ケーシングは表面から50フィートまたは70フィート下で切り取られて埋められる場合があります。これは、コストのかかる修復を必要とする環境問題になる場合があります。

一方で、坑口を切断する必要のない解決策を提案しています。石油とガスは地表から垂直に9000フィート下にある可能性がありますが、塩水を含む砂岩が数百フィート、おそらく地表から5000フィート下にある可能性があります。これらの堆積物は、以前は塩水のために無視されていました。

太陽エネルギー源が余剰電力を生み出している場合、夜間に使用したり、電圧低下が発生したときに電力を供給したりするために保管できれば完璧です。私の提案は、空気圧縮機を動かすためにそれを使用することによって、後で必要になったときに使用するためにその余剰電力を保存することです。次に、圧縮空気が塩水を含む砂岩に注入されます。

私たちは、水がダムの上を下向きに流れてタービンを回すことによって位置エネルギーを放出するので、あなたが電気を作るウォーターダムに似た何かをします。このシナリオでは、圧縮空気の運動エネルギーが水に伝達され、タービンとそれに続く発電機にエネルギーが供給されます。蓄えられたエネルギーが必要になると、加圧された空気が表面に上昇し、水の容器を加圧してタービンを動かします。

さらに、既存の井戸の表面にセンサーを設置して、炭化水素の漏出をリアルタイムで検出できるようにすることを提案しています。

水は圧縮率が低いため、その貯蔵された形成圧力は、たとえば、1平方インチあたり3000ポンドになる可能性があります。それから数日間生産すると、圧力は非常に急速に低下します。それが特定のレベル、たとえば500 psiに低下すると、コンプレッサーは自動的に起動し、より多くの空気を注入することによって圧力を3000psiに戻します。

湿地の堆積物の厚さと面積を測定することで、体積がわかり、電力に変換するために貯蔵できる空気の量を計算できます。私たちの計算によると、これは電気代に数ペニーを超えることはありません。

テクニカルブリーフ： 空気と水の間の作用についてもう少し説明していただけますか？

Ershaghi教授： 天然ガスを貯蔵するときと同じです。天然ガスは石油貯留層に貯蔵します。ガスを注入するとオイルが押し戻され、生産すると生産されます。まるで、ヨーヨーが行ったり来たりするようなものです。注入してから生成します。

ウェルあたり5〜10メガワットを保存できると計算しました。これにカリフォルニアの約37,000のアイドル状態の井戸を掛けると、ギガワットになります。これが主要な電力源になります。州は自給自足になる可能性があり、もはや燃料を輸入する必要はありません。カリフォルニアでの石油とガスの生産は減少しているが、電力の需要はどこにも行かないため、これは双方にメリットがあります。

私が油田のオペレーターであり、1000の井戸があるとしましょう。貯水池の特定の部分が使い果たされたことを私は知っているかもしれません。それらの井戸は、経済的に実行可能にするのに十分な石油を生産することができなくなります。その枯渇した地域には10から30の井戸があるかもしれません。これらを使用すると、100メガワットの施設を簡単に構築できます。

この方法の利点は、米国のほとんどの地域で使用できることです。これは、産油地域に限定されません。

たとえば、ニューヨークでは、大規模な石油とガスの生産はありませんが、デボン紀の頁岩の上に水砂の堆積物があり、これを使用できます。米国のどの地域でも、ドリルダウンすると、塩水帯水層が見られます。百万年前、米国の多くは水路で覆われていたため、今では至る所に湿った堆積物があります。石油やガスを一滴も生成しなかった状態になる可能性がありますが、それでもこれらの湿った層は地下にあります。米国地質調査所には、湿った砂の地下堆積物の場所を示す地図があります。

テクニカルブリーフ： カリフォルニアでは、これらの砂には塩水が含まれているとおっしゃいました。これが機能するためには、生理食塩水である必要がありますか？

Ershaghi教授： 米国の多くの地域で私たちが直面している淡水の不足により、この目的のために地下の淡水資源を使用することは良い考えではありません。ただし、十分に深くなると、発見した水は塩水である可能性が高くなります。

説明では、地質学の簡単なレッスンが必要です。過去3億年間の地球の温度をプロットすると、本質的に、地球の温度が非常に高い場合と非常に低い場合があることがわかります。地球の表面の大部分が水で覆われたとき、それは凍結と解凍の期間を経ました。これにより、岩層の領域が徐々に破壊され、砕屑物が蓄積しました。

岩石侵食によって形成された堆積物は、海の上昇とともに海水で飽和状態になりました。そのため、最も深い水の堆積物は塩水ですが、カリフォルニアのような場所で必死に必要とされる淡水ははるかに浅く、通常は雨水が補充されます。

ご存知のように、過去20年間、炭素の回収と隔離のための努力が続けられてきました。二酸化炭素が多すぎる場合は、地下の地層に保管するだけでよいという考えがあります。しかし、二酸化炭素の漏出が懸念されています。したがって、提案されたエネルギー貯蔵の概念では、地下CO ₂ に関する多くの研究とモデリングがあるため、その経験からも恩恵を受けています。 隔離。私たちの状況ははるかに単純です。なぜなら、空気を地下に貯蔵すれば、たとえそれが漏れても、誰が気にするのかということです。空気に空気を追加するだけで、二酸化炭素も、有毒な燃料もありません。それはただの空気です。

現在、人々が必要な速さで再生可能エネルギーを構築していない理由は、経済性が良くないためです。実際、これらの施設の建設には多額の費用がかかります。現時点では、生成されているすべてのキロワットを使用しているわけではないため、この電力のかなりの部分が大規模なストレージなしで無駄になる可能性があります。

ですから、電気を蓄え、必要なときに使う方法を考え出せば、大きな経済問題を解決することができます。そうすれば、再生可能資源の拡大は投資家や社会全体にとってはるかに受け入れやすくなります。

テクニカルブリーフ： 基本的に、既存のテクノロジーを使用しているが、より経済的で便利な方法でそれを適用していると言っていますか？

Ershaghi教授： 私たちの貢献はもっと次のようなものだと思います。第一に、人々が岩塩ドームに空気を蓄えていることは実証済みの技術です。私たちの最初の貢献は、岩塩ドームを必要としないことです。塩水帯水層があれば、それでうまくいく可能性があります。第二に、井戸を掘削しなければならないため、これには費用がかかるという印象があります。しかし、放棄される予定の既存の井戸を使用できることを示しました。それがアイデアです。したがって、基本的にはアイドル状態の井戸を使用し、塩水帯水層を使用し、技術を拡張して広く利用できるようにすると同時に、井戸の放棄費用に対する州や一般市民の責任を軽減します。

テクニカルブリーフ： コンプレッサーの運転で失われるエネルギーはどうですか？

Ershaghi教授： 100メガワットの太陽熱源を使用していると仮定しましょう。あなたがその百メガワットを取り、それを使って圧縮空気を生成する時までに、もちろん、エネルギーバランスを見ると、あなたはエネルギーを失います。だから、あなたは、利用可能なメガワットのほんの一部を持っているかもしれません。

しかし、それは母なる性質です。エントロピーの概念は、仕事が行われるプロセスでは常にエネルギーが失われるというものです。それが研究分野です。損失を最小限に抑える方法です。

したがって、100メガワットが圧縮空気に変換され、貯蔵プロセスを経て返送された後、使用できるのは60メガワットしかない場合があります。ただし、有用な電力をまったく生成しないよりも、100から60に下げる方が適切です。

テクニカルブリーフ： 全体的な操作がどのように機能するかを簡単に説明してください。

Ershaghi教授： アラバマの施設では、比較のために、彼らは還気を使ってコンプレッサーを回します。空気が戻ってきたら、空気を加熱して膨張させ、使用できるようにする必要があります。その場合、天然ガスを燃やして熱を発生させる必要があります。コンプレッサーを使って水に圧力をかけるので、それは必要ありません。タービンを作動させるのは水圧です。

テクニカルブリーフ： 圧縮空気はどのようにそのエネルギーをタービンに伝達しますか？

Ershaghi教授： 戻された圧縮空気は必要に応じて表面に出て、高圧の縦型容器内の水を加圧します。水圧が作動してタービンを運転します。電気を生成するための運動エネルギーは、圧縮空気の圧力から発生します。

テクニカルブリーフ： これらのシステムを構築するための経済的インセンティブは何でしょうか？

Ershaghi教授： まず第一に、私たちは井戸を掘削して許可プロセスを経る必要はありません。カリフォルニアでは、石油とガスの土地のほとんどは有料の土地です。私が有料の土地の家の所有権を持っている場合、それは私が地表から地球の中心に至るまですべてを所有していることを意味します。私の土地の下に油田があることが判明した場合、私はその権利を石油会社に貸し出すことができます。これは通常、毎月生産されるものからの収入のパーセンテージの形で表されます。

ほとんどの石油会社が所有する土地は有料の土地です。ですから、私が多くの井戸を所有しているオペレーターであり、そのうちのいくつかは経済的に非生産的である場合、これは収入源になる可能性があります。私がそれらの放棄された井戸を貯蔵庫に変えるならば、私はそれらを使用する権利のためにユーティリティに請求することができます。その場合、オペレーターはこれらの非生産井からの収入源を得ることになります。その間、オペレーターは放棄コストを排除または延期します。

これは、土地所有者にとって新しい収入源になる可能性もあります。つまり、地下の権利を貯蔵事業者にリースすることです。

ユーティリティは、発電に必要な石油とガスの量を減らすことができるので、それは価値があると思うでしょう。

テクニカルブリーフ： 水圧破砕で発生したような地下の擾乱がある可能性はありますか？

Ershaghi教授： あなたがその質問をしてくれてうれしいです。水圧破砕が地球の震えを引き起こしたかどうかの問題に関する研究を要約した国家資源評議会からの報告がありました。彼らの結論は、水圧破砕の実際の実践が震えを引き起こしたという証拠はないということでした。彼らは、小さな地震は、処分井戸に汲み上げられた使用済みの廃液によって引き起こされたと結論付けました。これらの流体を継続的に追加すると、砂が加圧され、地下の応力場が変化します。

テクニカルブリーフ： 次のステップは何ですか？

Ershaghi教授： 公益事業または石油会社のいずれかが資金を提供するデモンストレーションプロジェクトがあります。来年の秋までにサイトができると思います。少なくともデモンストレーションには理想的なサイトをすでにいくつか特定しました。石油と水の相互作用に関するさらなる研究を含め、5メガワットの発電施設には2200万ドルかかる可能性があります。また、新しい材料、新しいチューブの挿入、複合材料の使用、さまざまな種類のセメントの研究も行います。私たちのチームには、電気技師、地下水中の研究科学者、水文学者、貯水池技師、およびシステムの最適化に取り組む複合技師が含まれます。さらに、適切な地質だけでなく、電力網への近接性についても、サイトの特性評価を検討します。また、サイトの監視にデジタルテクノロジーを適用する予定です。

このインタビューの編集版は、TechBriefsの2021年2月号に掲載されました。