休眠油ガス井戸を再生可能エネルギー貯蔵に転用するUSCの研究

南カリフォルニア大学（USC）のIraj Ershaghi教授と研究チームは、太陽光や風力発電の主要な課題であるエネルギー貯蔵の解決策として、休眠状態の油ガス井戸を活用する方法を見出しました。

Tech Briefs: このアイデアはどこから生まれたのですか？

Iraj Ershaghi教授

この国の大きな問題の一つは、生産寿命を終え、永久に放棄しなければならない大量の油ガス井戸をどう処理するかです。井戸の放棄は、すべての石油会社が直面する主要課題です。メジャー企業だけでなく、放棄費用を負担できない中小企業は破産して放棄することもあります。その場合、責任は州に移り、放棄費用は莫大になります。

カリフォルニア州だけで現在37,000本以上の休眠井戸があり、米国全体では100万本以上と言われています。私は以前から井戸放棄の問題に関心があり、エンジニアリングコミュニティとして放棄コストを削減し、より効果的に行う方法を考えてきました。

不適切に放棄された井戸はガス漏洩の原因となります。これは温室効果ガスへの寄与という点で悪いだけでなく、放棄井戸の上に知らずに家を建て、ガレージにガスが漏れ込むという事態も起こり得ます。

なぜこれが起きるのかを調べてきました。一つの考えは、適切に放棄されていない、使用されたセメントが不適切だったのではないかというものです。そのため、より効率的かつ責任を持って行う方法に関心の一部がありました。多くの場合、放棄井戸の特定さえ困難です。放棄時にウェルヘッドケーシングを切断して隠せるためです。

その後、ある企業がUSCにアプローチし、再生可能エネルギー業界が直面する重大な問題であるエネルギー貯蔵について協力できないかと打診してきました。彼らは、空の油ガス貯留層が貯蔵に使えるのではないかと考えていました。私の最初の反応は「考えないでください」というものでした。酸素を含む圧縮空気を炭化水素貯留層に注入するのは賢明ではありません。

私は、アラバマ州マッキントッシュのマッキントッシュ発電所が、ソルトドームと呼ばれる巨大な地質構造（塩の堆積物）に掘削し、その中に空洞を作って圧縮空気を貯蔵していることを知っていました。エネルギー源が余剰電力を生み出すときに圧縮空気を貯蔵し、必要なときに放出してタービンを回し発電します。

カリフォルニアにはソルトドームはありませんが、地表から地下の炭化水素帯までの間に、古代の塩水で満たされた砂岩層が存在することは知られています。これらはカリフォルニアが水に覆われていた時代に堆積した堆積物で、これらの地質層の水分は塩水です。マッキントッシュのアプローチを応用し、これらの塩水を含む砂岩堆積物に圧縮空気を貯蔵できるのではないかと考えました。同僚のJha博士が計算したところ、4000フィート（約1200メートル）より深くまで掘れば、休眠井戸を注入井として転用し、その周囲2000フィート（約600メートル）半径で5〜10メガワットの電力を生み出すだけの貯蔵容量があることがわかりました。カリフォルニアの井戸周辺には、大量の貯蔵に利用できるエーカー・フィート単位の層が多数存在します。

カリフォルニア州の規制では、電力会社が一定の期日までに大規模なエネルギー貯蔵容量を確保することが義務付けられています。電力会社は蓄電池技術を当てにしていましたが、現時点ではバッテリー技術がまだこの需要を満たすほど成熟していません。その時、カリフォルニアでの妥当な解決策は、塩水帯水層を圧縮空気貯蔵に利用することだと気づきました。

石油会社からは、自社の一部の井戸をエネルギー貯蔵に利用することを歓迎する声が上がっています。これはカーボンネガティブクレジットを得られるためです。カリフォルニアではカーボンニュートラルが求められ、原油1バレル生産するごとに、何らかの形でCO₂問題を緩和していることを示さなければなりません。

現在、デモンストレーションプロジェクトで休眠井戸を利用することに関心を示しているオペレーターと協議を進めています。

私の同僚たちは、これがカリフォルニアのエネルギー市場への再生可能エネルギー導入を促進し、変革をもたらすものになると考えて非常に興奮しています。

Tech Briefs: セメントは帯水層に対してどの位置に配置されるのですか？

Ershaghi教授

典型的な井戸には、炭化水素堆積層まで続く一連のパイプがあります。休眠井戸では、炭化水素層の上部にセメントプラグが打たれます。しかし、表面ケーシングが地表から50〜70フィート下で切断され、埋め戻されることがあります。これは環境懸念を引き起こし、高額な修復を必要とする場合があります。

一方、私たちが提案する解決策は、ウェルヘッドを切断する必要がありません。油ガスは地表から垂直に9000フィート（約2700メートル）下にあるかもしれませんが、その途中、おそらく地表から5000フィート（約1500メートル）下に、数百フィートの厚さの塩水を含む砂岩層があるかもしれません。これらの堆積物は塩水を含むため、これまで無視されてきました。

太陽光発電が余剰電力を生み出したとき、それを夜間や停電時に使用するために貯蔵できれば理想的です。私の提案は、その余剰電力で空気圧縮機を駆動し、圧縮空気を塩水を含む砂岩に注入して後で使用するために貯蔵することです。

これは水力発電のダムに似ています。水が落下してタービンを回し発電するのと同様に、このシナリオでは圧縮空気の運動エネルギーが水に伝わり、タービンを経て発電機を駆動します。貯蔵エネルギーが必要なとき、加圧空気が地表まで上昇し、高圧垂直容器内の水を加圧してタービンを回します。

さらに、既存井戸の地表にセンサーを設置することで、炭化水素漏洩をリアルタイムで検知できるようにすることも提案しています。

水は圧縮性が低いため、その地層圧力は例えば3000psi（ポンド毎平方インチ）になります。それを数日間生産すると、圧力は非常に速く低下します。あるレベル、例えば500psiまで下がると、圧縮機が自動的に起動し、さらに空気を注入して圧力を3000psiに戻します。

湿地堆積物の厚さと面積を測定することで体積がわかり、どれだけの空気を貯蔵して電力に変換できるか計算できます。計算によれば、これは電気料金に数セント以上の上乗せにはなりません。

Tech Briefs: 空気と水の相互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際と似ています。天然ガスを油貯留層に貯蔵します。ガスを注入すると油を押し戻し、生産時にはガスが産出されます。ちょうどヨーヨーのように、行ったり来たり：注入して、生産する。

1井戸あたり5〜10メガワットを貯蔵できると計算しています。これをカリフォルニアの約37,000本の休眠井戸で乗じると、ギガワット規模になります。これは主要な電力源となり得ます。州は自給自足可能になり、燃料輸入の必要がなくなります。カリフォルニアの油ガス生産は減少傾向にある一方、電力需要は減らないため、これはウィンウィンです。

例えば、私が油田オペレーターで1000本の井戸を持っているとします。貯留層の特定部分が枯渇し、それらの井戸では十分な油を産出できず経済的に成り立たなくなったとします。そのエリアに10〜30本の井戸があるかもしれません。それらで容易に100メガワットの施設を建設できます。

この手法の美しさは、米国のほとんどの地域で利用可能であることです。油生産地域に限定されません。

例えばニューヨークでは、大規模な油ガス生産はありませんが、デボン紀頁岩の上部に水砂堆積物があり、これが利用可能です。米国のどこでも掘削を深くすれば、塩水帯水層が見つかります。100万年前、米国の大部分は水路に覆われていたため、湿潤堆積物が地下に広がっています。一度も油ガスを産出したことのない州でも、これらの湿潤層を地下に持っています。米国地質調査所には、地下の湿潤砂堆積物の位置を示す地図があります。

Tech Briefs: カリフォルニアではこれらの砂層に塩水が含まれるとのことですが、これが機能するために塩水である必要はありますか？

Ershaghi教授

米国の多くの地域で直面している淡水不足を考えると、地下の淡水資源をこの目的で使用するのは良くありません。しかし、十分深く掘れば、発見される水は塩水である可能性が高いです。

説明には簡単な地質学の知識が必要です。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時に非常に高く、時に非常に低かったことがわかります。地球表面の大部分が水に覆われていたとき、凍結と融解の期間を経験しました。これが徐々に岩石形成を破壊し、碎屑物質が堆積しました。

岩石侵食によって形成された堆積物は、海面上昇とともに海水で飽和しました。だからこそ、最も深い水堆積物は塩水であり、カリフォルニアのような場所で切実に必要とされている淡水は、ずっと浅く、通常は雨水で補給されます。

ご存知のように、過去20年間で二酸化炭素回収・貯留（CCS）の取り組みが進められてきました。アイデアは、二酸化炭素が多すぎれば地下地質構造に貯留すればよいというものです。しかし、二酸化炭素漏洩への懸念がありました。私たちの提案するエネルギー貯蔵概念では、その経験も活かせます。地下CO₂貯留に関する多くの研究とモデリングがあるからです。私たちの状況ははるかに単純です。空気を地下に貯蔵し、仮に漏洩しても、ただ空気が空気に加わるだけで、二酸化炭素も有毒燃料もなく、ただの空気です。

現在、必要な速さで再生可能エネルギーが建設されていない理由は、経済性が合わないからです。施設建設には多額の費用がかかり、現時点では生成されるすべてのキロワットを使用できておらず、大規模貯蔵なしでは相当部分が無駄になります。

したがって、電気を貯蔵し、必要なときに使用する方法を見つければ、主要な経済問題を解決できます。これにより、再生可能エネルギー源の拡大が投資家と社会全体にとって 훨씬より受け入れやすくなります。

Tech Briefs: 既存技術をより経済的かつ有用な方法で適用している、と言えますか？

Ershaghi教授

私たちの貢献は以下の点にあると思います。第一に、人々がソルトドームに空気を貯蔵してきたことは実証済みの技術です。私たちの第一の貢献は、ソルトドームを必要としないことです。塩水帯水層があれば仕事を果たせます。第二に、井戸を掘削する必要があるためコストがかかるという印象があります。しかし、放棄運命にある既存井戸を利用できることを示しました。それがアイデアです。つまり、休眠井戸を使い、塩水帯水層を使い、技術を広く利用可能に拡張し、井戸放棄コストに対する州と一般への負債を削減します。

Tech Briefs: 圧縮機を動かす際のエネルギー損失についてはどうですか？

Ershaghi教授

100メガワットの太陽光源を使用すると仮定します。その100メガワットを取り出して圧縮空気を生成するまで、エネルギーバランスを見れば、もちろんエネルギーは失われます。したがって、利用可能なメガワットの一部しか得られないかもしれません。

しかし、それは自然の摂理です。エントロピーの概念では、仕事を伴うあらゆるプロセスでエネルギーは常に失われます。これは損失を最小化する方法の研究領域です。

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戻ってくると、最終的に利用可能なのは60メガワット程度かもしれません。しかし、全く有用な電力を生み出さないより、100から60に減らす方が良いのです。

Tech Briefs: 全体の運用がどのように機能するか簡単に説明できますか？

Ershaghi教授

アラバマ施設では、比較のために、戻ってきた空気を使って圧縮機を回しています。空気が戻ってくると、膨張させるために加熱する必要があるため、天然ガスを燃やして熱を生み出します。私たちの方式ではそれが不要です。圧縮機で水に圧力をかけるためです。水圧がタービンを駆動します。

Tech Briefs: 圧縮空気はどのようにタービンにエネルギーを伝えるのですか？

Ershaghi教授

必要なときに戻ってきた圧縮空気が地表まで上がり、高圧垂直容器内の水を加圧します。水圧がタービンを作動・駆動します。発電のための運動エネルギーは圧縮空気の圧力から来ます。

Tech Briefs: これらのシステム建設の経済的インセンティブは何ですか？

Ershaghi教授

まず、井戸を掘削し、許可プロセスを経る必要がありません。カリフォルニアでは、ほとんどの油ガス用地はフィーシンプル（fee simple）土地です。フィーシンプル土地の家の権利を持つなら、地表から地球の中心まですべてを所有することを意味します。自分の土地の下に油田があるなら、その権利を石油会社にリースできます。これは一般的に、毎月産出される収入の一定割合という形を取ります。

ほとんどの石油会社が所有する土地はフィーシンプル土地です。私がオペレーターで、経済的に非生産的な井戸をいくつか持っているなら、これは収入源になります。それらの放棄井戸を貯蔵に転用すれば、電力会社に使用権を請求できます。オペレーターは非生産井戸から収入を得られます。同時に、放棄コストを削減または先送りできます。

これは地権者にとっても新たな収入源になり得ます。地下権利を貯蔵オペレーターにリースするのです。

電力会社にとっても価値があります。発電に必要な油ガス量を削減できるからです。

Tech Briefs: フラッキングで起きたような地下擾乱の可能性はありますか？

Ershaghi教授

その質問をしてくれて嬉しいです。国立資源委員会から、フラッキングが地震を引き起こしたかどうかをまとめた研究報告があります。彼らの結論は、フラッキングの実際の実施が震動を引き起こした証拠はないというものでした。微小地震は、廃棄井戸に汲み上げられる使用済み廃液によって引き起こされたと結論付けました。これらの液体を継続的に注入すると砂層が加圧され、地下応力場が変化します。

Tech Briefs: 次のステップは？

Ershaghi教授

デモンストレーションプロジェクトを実施します。資金は電力会社または石油会社から提供されます。来年秋までにはサイトを確保できると期待しています。すでにデモンストレーションに理想的ないくつかのサイトを特定しています。5メガワット発電施設で約2,200万ドルかかる見込みで、油と水の相互作用に関するさらなる研究も含まれます。新材料の研究も行います。新しいチュービングの導入、コンポジットの使用、さまざまな種類のセメントなどです。チームには電気エンジニア、地下水研究者、水理学者、貯留層エンジニア、コンポジットエンジニアが含まれ、システムの最適化に取り組みます。さらに、適切な地質だけでなく、送電網への近接性についてもサイト特性評価を行います。また、サイト監視にデジタル技術を適用することも意図しています。

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