Preguntas y respuestas:pozos de petróleo y gas para almacenamiento de energía

El profesor Iraj Ershaghi y un equipo de investigadores de la Universidad del Sur de California (USC) encontraron una manera de utilizar pozos de petróleo y gas inactivos para el almacenamiento de energía, una de las principales preocupaciones para la generación de energía solar y eólica.

Resúmenes técnicos: ¿De dónde surgió esta idea?

Profesor Iraj Ershaghi: Un gran problema en este país es qué hacer con la gran cantidad de pozos de petróleo y gas que han llegado al final de su vida productiva y tienen que ser abandonados definitivamente. El abandono de pozos es un problema importante al que se enfrentan todas las compañías petroleras. Me refiero a las grandes:las empresas más pequeñas que a veces no pueden permitirse pagar el costo del abandono podrían simplemente declararse en bancarrota y marcharse. Entonces se convierte en una responsabilidad del estado y el costo del abandono puede ser enorme.

Hay más de 37,000 Wells en California que actualmente están inactivos, y en todo EE. UU., estás hablando de más de un millón. Siempre me interesó el tema del abandono de pozos y pensé en lo que la comunidad de ingenieros puede hacer para reducir los costos de abandono y hacerlo de manera más efectiva.

Un problema es que cuando se abandona indebidamente un pozo, podría convertirse en una fuente de fuga de gas. Esto no solo es malo por su contribución a los gases de efecto invernadero, sino que no es divertido construir una casa sin saberlo sobre un pozo abandonado y luego experimentar una fuga de gas en el garaje.

Había estado investigando la cuestión de por qué sucede esto. Uno de mis pensamientos fue que tal vez no se abandonó correctamente, tal vez el cemento que usaron no era el adecuado. Entonces, parte de mi interés ha sido cómo hacerlo de manera más eficiente y responsable. En muchos casos, es difícil incluso ubicar un pozo abandonado porque cuando alguien lo abandona, cortan la cubierta del cabezal del pozo para que pueda ocultarse.

Luego, una empresa se acercó a nosotros y dijo que estaría interesada en trabajar con la USC para ver si podíamos ayudarlos con un problema importante que enfrenta la industria de las energías renovables:el almacenamiento de energía. Tenían la impresión de que tal vez los depósitos vacíos de petróleo y gas podrían usarse como almacenamiento. Mi primera respuesta fue:ni siquiera lo pienses. No es prudente inyectar aire comprimido, con oxígeno, en depósitos de hidrocarburos.

Sabía que McIntosh Power Company en McIntosh, Alabama, había perforado enormes estructuras geológicas hechas de sal, llamadas domos de sal. Crearon cavidades en estos depósitos de sal para almacenar aire comprimido durante los momentos en que una fuente de energía produce un exceso de energía innecesaria. Cuando necesitan usar la energía almacenada, liberan el aire comprimido para hacer funcionar una turbina que produce electricidad.

Aunque no tenemos domos de sal en California, sabemos que a medida que avanza desde la superficie hasta las zonas de hidrocarburos del subsuelo, hay capas de arenisca llenas de agua de mar salina antigua. Estos son sedimentos que se depositaron cuando California estaba cubierta por agua, por lo que el contenido de agua de estas capas geológicas es salino. Se nos ocurrió la idea de que tal vez podríamos usar el enfoque de McIntosh, pero en su lugar almacenar el aire comprimido en estos depósitos de arena que contienen agua salina. Uno de los miembros de nuestra facultad, el Dr. Jha, calculó que si pudiera descender por debajo de los 4000 pies, podría tener suficiente almacenamiento para producir de 5 a 10 megavatios de electricidad en un radio de 2000 pies alrededor de un pozo inactivo reutilizado como pozo de inyección. Hay muchos acres-pie de capas alrededor de los pozos en California que se pueden usar para una gran cantidad de almacenamiento.

Las regulaciones de California requieren que las empresas de servicios públicos, en una fecha determinada, presenten una gran capacidad de almacenamiento de energía. Las empresas de servicios públicos bajo este mandato legislativo están luchando porque contaban con baterías y, a partir de ahora, la tecnología de baterías aún no es lo suficientemente buena para satisfacer esta necesidad. Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que una solución plausible en California podría ser utilizar el acuífero salino para almacenar aire comprimido.

Escuchamos de las compañías petroleras que agradecerían este uso de algunos de sus pozos para el almacenamiento de energía, porque les daría créditos de carbono negativo. En California, debe ser neutral en carbono:por cada barril de petróleo que producen, los operadores deben demostrar de alguna manera que están mitigando el CO_2. problema.

Ahora estamos hablando con algunos de los operadores que han mostrado interés en usar sus pozos inactivos para un proyecto de demostración.

Mis colegas y yo estamos muy emocionados de pensar que esto será transformador para facilitar y llevar las energías renovables al mercado energético de California.

Resúmenes técnicos: ¿Dónde pones el cemento en relación con el acuífero?

Profesor Ershaghi: Un pozo típico tiene una serie de tuberías que conducen a los depósitos de hidrocarburos. En un pozo inactivo, se coloca un tapón de cemento sobre la capa de hidrocarburo. Sin embargo, el revestimiento de la superficie puede cortarse a 50 o 70 pies por debajo de la superficie y rellenarse. A veces, esto puede convertirse en un problema ambiental que requiere una reparación costosa.

Por otro lado, sugerimos una solución que no requiere cortar el cabezal del pozo. El petróleo y el gas podrían estar a 9000 pies verticalmente por debajo de la superficie, pero podría haber cientos de pies de arenisca que contengan agua salada, tal vez a 5000 pies por debajo de la superficie. Estos depósitos han sido ignorados anteriormente debido al agua salina.

Si una fuente de energía solar está produciendo un exceso de energía, sería perfecto si pudiera almacenarse para usarla durante la noche o para suministrar energía eléctrica cuando hay un apagón. Mi propuesta es almacenar ese exceso de energía para usarlo más tarde, cuando sea necesario, usándolo para hacer funcionar un compresor de aire. Luego, el aire comprimido se inyectará en la arenisca que contiene agua salada.

Hacemos algo similar a la represa de agua, donde generas electricidad porque el agua libera su energía potencial al fluir hacia abajo sobre la represa y hacer girar una turbina. En este escenario, la energía cinética del aire comprimido se transfiere al agua que energiza una turbina y posteriormente un generador. Cuando se necesita la energía almacenada, el aire presurizado sube a la superficie y presuriza un recipiente de agua para hacer funcionar una turbina.

Además, estamos proponiendo poner sensores en la superficie de los pozos existentes para que también podamos detectar, en tiempo real, cualquier fuga de hidrocarburos.

Debido a que el agua tiene una compresibilidad baja, su presión de formación almacenada podría ser, por ejemplo, de 3000 libras por pulgada cuadrada. Cuando produce a partir de eso durante un par de días, la presión cae muy rápidamente. Cuando cae a un cierto nivel, digamos 500 psi, el compresor se enciende automáticamente para devolver la presión a 3000 psi inyectando más aire.

Al medir el espesor y el área de los depósitos de humedales, conocemos el volumen y podemos calcular cuánto aire se puede almacenar para convertirlo en energía. Nuestros cálculos muestran que esto no agregaría más que unos pocos centavos al costo de la electricidad.

Resúmenes técnicos: ¿Podrías explicar un poco más sobre la acción entre el aire y el agua?

Profesor Ershaghi: Es similar a lo que hacemos cuando almacenamos gas natural. Almacenas gas natural en un depósito de petróleo. Cuando inyecta el gas, empuja el petróleo hacia atrás y cuando produce, produce. Es como un yo-yo que va de un lado a otro:inyecta y luego produce.

Hemos calculado que se podrían almacenar de 5 a 10 megavatios por pozo. Multiplique eso por los aproximadamente 37,000 pozos inactivos en California, y tendrá gigavatios. Esta sería una fuente importante de electricidad. El estado podría volverse autosuficiente, ya no tendría que importar combustible. Esto sería beneficioso para todos porque la producción de petróleo y gas en California está disminuyendo, mientras que la demanda de electricidad no va a ninguna parte.

Digamos que soy un operador de campos petroleros y puedo tener mil pozos. Podría saber que cierta parte del depósito se agotó. Esos pozos ya no podrían producir suficiente petróleo para hacerlos económicamente viables. Puede haber de 10 a 30 pozos en esa área agotada. Con eso, puedes construir fácilmente una instalación de 100 megavatios.

La belleza de este método es que podría usarse en la mayor parte de los Estados Unidos, no se limita a las áreas productoras de petróleo.

Por ejemplo, en Nueva York, si bien no existe una producción de petróleo y gas a gran escala, sí existen depósitos de arenas acuáticas sobre el esquisto del Devónico, que podrían utilizarse. En cualquier parte de los EE. UU. a medida que profundice, verá acuíferos salinos. Hace un millón de años, gran parte de los EE. UU. estaba cubierta por vías fluviales, por lo que ahora hay sedimentos húmedos por todas partes. Podría estar en un estado que nunca produjo una gota de petróleo o gas, pero aún tendría estas capas húmedas bajo tierra. El servicio geológico de EE. UU. tiene mapas que muestran la ubicación de los depósitos subterráneos de arenas húmedas.

Resúmenes técnicos: Mencionaste que en California estas arenas contienen agua salada; ¿Tiene que ser una solución salina para que esto funcione?

Profesor Ershaghi: Con la escasez de agua dulce que enfrentamos en muchas partes de los EE. UU., no sería una buena idea utilizar los recursos subterráneos de agua dulce para este fin. Sin embargo, si profundizamos lo suficiente, es probable que cualquier agua que descubramos sea salina.

La explicación requiere una breve lección de geología. Si trazas la temperatura de la Tierra durante los últimos 300 millones de años, esencialmente muestra que la temperatura de la Tierra a veces era muy alta ya veces muy baja. Cuando gran parte de la superficie de la tierra estaba cubierta de agua, pasaba por períodos de congelación y descongelación. Esto rompió gradualmente áreas de formaciones rocosas y los materiales detríticos se acumularon.

Los sedimentos formados por la erosión de las rocas se saturaron con agua de mar con el ascenso de los océanos. Es por eso que los depósitos de agua más profundos son salinos, mientras que el agua dulce que se necesita desesperadamente en lugares como California es mucho menos profunda y generalmente se repone con agua de lluvia.

Como saben, ha habido un esfuerzo durante las últimas dos décadas para capturar y secuestrar carbono. La idea ha sido que si tienes demasiado dióxido de carbono, simplemente lo almacenas en formaciones geológicas del subsuelo. Pero ha habido preocupaciones sobre la fuga de dióxido de carbono. Entonces, en nuestro concepto de almacenamiento de energía propuesto, también nos estamos beneficiando de esa experiencia, porque hay mucha investigación y modelado sobre el CO₂ del subsuelo. secuestro. Nuestra situación es mucho más simple porque si almacenas aire bajo tierra, incluso si se filtra, a quién le importa, solo estás agregando más aire al aire, no hay dióxido de carbono, no hay combustible tóxico, es solo aire.

En este momento, la razón por la que las personas no están construyendo energías renovables tan rápido como es necesario es porque la economía no se ve bien. El hecho es que cuesta mucho dinero construir estas instalaciones y, en este punto, no está utilizando cada kilovatio que se genera, una parte significativa de esta energía podría desperdiciarse sin un almacenamiento a gran escala.

Entonces, si encuentra una forma de almacenar la electricidad y luego usarla cuando la necesita, resolverá un problema económico importante. Eso haría que la expansión de las fuentes renovables fuera mucho más aceptable para los inversores y la sociedad en general.

Resúmenes técnicos: ¿Está diciendo básicamente que está utilizando la tecnología existente pero aplicándola de una manera que es más económica y útil?

Profesor Ershaghi: Creo que nuestra contribución es más la siguiente. Número uno, es una tecnología comprobada, que las personas han almacenado aire en cúpulas de sal. Nuestra primera contribución es que no necesita un domo de sal, siempre que tenga un acuífero salino, eso podría hacer el trabajo. Número dos, la impresión es que esto es costoso porque hay que perforar el pozo. Pero hemos demostrado que podríamos usar pozos existentes que están destinados al abandono. Esa es la idea. Entonces, básicamente, use los pozos inactivos, use un acuífero salino y amplíe la tecnología para que esté ampliamente disponible, mientras reduce la responsabilidad de los estados y el público por los costos de abandono de pozos.

Resúmenes técnicos: ¿Qué pasa con la energía perdida al hacer funcionar el compresor?

Profesor Ershaghi: Supongamos que está utilizando una fuente solar de cien megavatios. En el momento en que tomas esos cien megavatios y los usas para producir aire comprimido, si miras el balance de energía, por supuesto, pierdes energía. Por lo tanto, puede tener una fracción de los megavatios disponibles.

Pero esa es la madre naturaleza. El concepto de entropía es que la energía siempre se pierde en cualquier proceso donde se realiza trabajo. Esa es un área de investigación:cómo minimizar las pérdidas.

Entonces, después de que los 100 megavatios se conviertan en aire comprimido y pase por el proceso de almacenamiento y se devuelva, es posible que solo tenga 60 megavatios utilizables. Pero es mejor pasar de 100 a 60 que no generar ningún tipo de energía útil.

Resúmenes técnicos: ¿Puede describir brevemente cómo funcionaría la operación general?

Profesor Ershaghi: En las instalaciones de Alabama, a modo de comparación, utilizan el aire de retorno para hacer girar el compresor. Cuando el aire vuelve, hay que calentarlo para que se expanda y puedan usarlo. Si hace eso, necesita quemar gas natural para producir el calor. No necesitamos eso porque usamos un compresor para aplicar presión al agua. Es la presión del agua la que hace funcionar la turbina.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo transfiere el aire comprimido su energía a la turbina?

Profesor Ershaghi: El aire comprimido devuelto sale a la superficie cuando es necesario y presuriza el agua en un recipiente vertical de alta presión. La presión del agua activa y hace funcionar la turbina. La energía cinética para generar la electricidad proviene de la presión del aire comprimido.

Resúmenes técnicos: ¿Cuáles serían los incentivos económicos para construir estos sistemas?

Profesor Ershaghi: En primer lugar, no tenemos que perforar el pozo y pasar por el proceso de obtención de permisos. En California, la mayoría de las tierras de petróleo y gas son tierras de pago. Si tengo el título de una casa en un terreno de pago, eso significa que soy dueño de todo, desde la superficie hasta el centro de la tierra. Si resulta que hay un campo petrolero debajo de mi tierra, puedo arrendar mis derechos a una compañía petrolera. Esto es generalmente en forma de un porcentaje de los ingresos de lo que se produce cada mes.

La tierra propiedad de la mayoría de las compañías petroleras es tierra de pago. Entonces, si soy un operador, que posee varios pozos, algunos de los cuales son económicamente improductivos, esto podría ser una fuente de ingresos. Si convierto esos pozos abandonados en almacenamiento, podría cobrar una utilidad por el derecho a usarlos. El operador tendría entonces una fuente de ingresos de estos pozos no productivos. Mientras tanto, los operadores eliminan o posponen el costo de abandono.

Esto también podría ser una nueva fuente de ingresos para los propietarios:arrendar sus derechos subterráneos a operadores de almacenamiento.

Las empresas de servicios públicos encontrarían que valía la pena porque podrían reducir la cantidad de petróleo y gas que necesitan para generar energía.

Resúmenes técnicos: ¿Podría haber perturbaciones subterráneas, como ha ocurrido con el fracking?

Profesor Ershaghi: Me alegra que hayas hecho esa pregunta. Hubo un informe del Consejo Nacional de Recursos que resume la investigación sobre el tema de si el fracking ha causado temblores de tierra. Sus conclusiones fueron que no hay evidencia de que la práctica real de fracking haya causado los temblores. Llegaron a la conclusión de que los terremotos menores fueron causados ​​por fluidos de desecho usados ​​que se bombean a los pozos de eliminación. La adición continua de estos fluidos presuriza la arena, cambiando así los campos de tensión del subsuelo.

Resúmenes técnicos: ¿Cuáles son tus próximos pasos?

Profesor Ershaghi: Tendremos un proyecto de demostración, que será financiado por empresas de servicios públicos o petroleras. Espero que podamos tener un sitio para el próximo otoño. Ya hemos identificado algunos sitios que serían ideales, al menos para una demostración. Podría costar $ 22 millones para una instalación de generación de 5 megavatios, incluida una mayor investigación sobre la interacción del petróleo y el agua. También estudiaremos nuevos materiales, tal vez colocando nuevos tubos, tal vez usando compuestos, diferentes tipos de cementos. Nuestro equipo incluye ingenieros eléctricos, científicos investigadores en aguas subterráneas, hidrólogos, ingenieros de yacimientos e ingenieros compuestos que trabajarán en la optimización del sistema. Además, estudiaremos la caracterización del sitio, no solo para la geología adecuada sino también para la proximidad a la red eléctrica. También tenemos la intención de aplicar tecnologías digitales para el monitoreo del sitio.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de febrero de 2021 de Tech Briefs.