Reinventando Pozos Petrolíferos Inactivos como Almacenamiento de Energía Renovable — Estudio USC

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

Origen de la Idea

Tech Briefs: ¿De dónde surgió esta idea?

Profesor Iraj Ershaghi: Un problema importante en este país es qué hacer con la gran cantidad de pozos de petróleo y gas que han llegado al final de sus vidas productivas y deben abandonarse permanentemente. El abandono de pozos es un problema importante que enfrentan todas las compañías petroleras. Hablo de las grandes —empresas de menor tamaño que a veces no pueden pagar el costo del abandono podrían simplemente declararse en bancarrota y retirarse. Entonces se convierte en responsabilidad del estado, y el costo de abandono puede ser enorme.

Hay más de 37,000 pozos en California que están actualmente inactivos, y en todo EE. UU., se habla de más de un millón. Siempre he tenido interés en el tema del abandono de pozos y pensando en qué puede hacer la comunidad de ingeniería para reducir el costo de abandono y hacerlo de manera más efectiva.

Un problema es que cuando se abandona un pozo incorrectamente, podría convertirse en una fuente de fuga de gas. 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 gas filtrándose al garaje.

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

Luego una empresa se nos acercó y dijo que estarían interesados en trabajar con USC para ver si podríamos ayudarles con un problema significativo que enfrenta la industria de energía renovable —el almacenamiento de energía. Tenían la impresión de que quizás los yacimientos vacíos de petróleo y gas podrían usarse como almacenamiento. Mi primera respuesta fue: ni lo piensen. No es prudente inyectar aire comprimido, con oxígeno, en yacimientos de hidrocarburos.

Sabía que la Compañía de Energía McIntosh 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 exceso de energía no necesaria. 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 se va desde la superficie hasta las zonas de hidrocarburos subterráneos, 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. Tuvimos la idea de que quizás 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 nuestros miembros de la facultad, el Dr. Jha, calculó que si se pudiera ir por debajo de 4,000 pies, se podría tener suficiente almacenamiento para producir de 5 a 10 megavatios de electricidad en un radio de 2,000 pies alrededor de un pozo inactivo reconvertido como pozo de inyección. Hay muchos acres-pie de capas alrededor de pozos en California que pueden usarse para una gran cantidad de almacenamiento.

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

Nos enteramos de las compañías petroleras que darían la bienvenida a este uso de algunos de sus pozos para almacenamiento de energía, porque les daría créditos de carbono negativo. En California, hay que ser neutral en carbono —por cada barril de petróleo que producen, los operadores tienen que mostrar de alguna manera que están mitigando el problema del CO₂.

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 entusiasmados al pensar que esto va a ser transformador para facilitar y llevar las renovables al mercado energético de California.

Ubicación del Cemento en Relación al Acuífero

Tech Briefs: ¿Dónde ponen el cemento en relación al acuífero?

Profesor Ershaghi: Un pozo típico tiene una serie de tuberías que conducen a los depósitos de hidrocarburos. En un pozo inactivo, un tapón de cemento se coloca encima de la capa de hidrocarburos. Sin embargo, el revestimiento superficial podría cortarse a 50 o 70 pies debajo de la superficie y rellenarse. Esto a veces puede convertirse en una preocupación ambiental que requiere remediación costosa.

Por otro lado, estamos sugiriendo una solución que no requiere cortar la cabeza del pozo. El petróleo y gas podrían estar a 9,000 pies verticalmente debajo de la superficie, pero podría haber cientos de pies de arenisca que contienen agua salada, quizás a 5,000 pies debajo de la superficie. Estos depósitos han sido ignorados previamente debido al agua salina.

Si una fuente de energía solar está produciendo exceso de energía, sería perfecto si pudiera almacenarse para uso nocturno o para suministrar energía eléctrica cuando hay un apagón. Mi propuesta es almacenar ese exceso de energía para uso posterior, cuando se necesite, usándola para hacer funcionar un compresor de aire. El aire comprimido se inyectará entonces en la arenisca que contiene agua salada.

Hacemos algo similar a la presa de agua, donde se genera electricidad porque el agua libera su energía potencial fluyendo hacia abajo sobre la presa y girando 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 contenedor de agua para hacer funcionar una turbina.

Además, proponemos colocar sensores en la superficie de pozos existentes para que también podamos detectar, en tiempo real, cualquier fuga de hidrocarburos.

Debido a que el agua tiene baja compresibilidad, su presión de formación almacenada podría ser, por ejemplo, 3,000 libras por pulgada cuadrada. Cuando se produce de eso por un par de días, la presión cae muy rápidamente. Cuando cae a un cierto nivel, digamos 500 psi, el compresor se enciende automáticamente para llevar la presión de vuelta a 3,000 psi inyectando más aire.

Midiendo el espesor y 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 añadiría más que unos pocos centavos al costo de la electricidad.

La Interacción entre Aire y Agua

Tech Briefs: ¿Podría 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 yacimiento de petróleo. Cuando inyectas el gas, empujas el petróleo hacia atrás y cuando produces, produces. Es como un yo-yo yendo de ida y vuelta, de ida y vuelta: inyectar y luego producir.

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

Digamos que soy un operador de campo petrolero, y puedo tener mil pozos. Podría saber que una cierta porción del yacimiento se agotó. Esos pozos ya no podrían producir suficiente petróleo para hacerlos económicamente viables. Podría haber de 10 a 30 pozos en esa área agotada. Con esos, fácilmente construyes una instalación de 100 megavatios.

La belleza de este método es que podría usarse en la mayoría de partes de Estados Unidos —no está limitado a áreas productoras de petróleo.

Por ejemplo, en Nueva York, aunque no tienes producción de petróleo y gas a gran escala, sí tienes depósitos de arenas de agua encima del esquisto Devónico, que podrían usarse. En cualquier parte de EE. UU. a medida que perforas hacia abajo, vas a ver acuíferos salinos. Hace un millón de años gran parte de EE. UU. estaba cubierta por vías fluviales, así que ahora hay sedimentos húmedos por todas partes. Podrías estar en un estado que nunca produjo una gota de petróleo o gas, pero aún tendría estas capas húmedas subterráneas. El estudio geológico de EE. UU. tiene mapas que muestran la ubicación de depósitos subterráneos de arenas húmedas.

¿Tiene que Ser Agua Salina?

Tech Briefs: Mencionó que en California estas arenas contienen agua salada; ¿tiene que ser salina para que esto funcione?

Profesor Ershaghi: Con la escasez de agua dulce que enfrentamos en muchas partes de EE. UU., no sería buena idea usar recursos subterráneos de agua dulce para este propósito. Sin embargo, si vamos lo suficientemente profundo, cualquier agua que descubramos probablemente sea salina.

La explicación requiere una breve lección de geología. Si graficas 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 y a veces muy baja. Cuando gran parte de la superficie de la Tierra estaba cubierta de agua, pasó por períodos de congelación y descongelación. Esto descompuso gradualmente áreas de formaciones rocosas, y los materiales detríticos se acumularon.

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

Como saben, ha habido un esfuerzo durante las últimas dos décadas para captura y secuestro de carbono. La idea ha sido que si tienes demasiado dióxido de carbono, simplemente lo almacenas en formaciones geológicas subterráneas. Pero ha habido preocupaciones sobre fugas de dióxido de carbono. Así que, en nuestro concepto propuesto de almacenamiento de energía, también nos beneficiamos de esa experiencia, porque hay mucha investigación y modelado concerniente al secuestro subterráneo de CO₂. Nuestra situación es mucho más simple porque si almacenas aire bajo tierra, incluso si se filtra, ¿a quién le importa? Solo estás añadiendo más aire al aire, no hay dióxido de carbono, no hay combustible tóxico, es solo aire.

En este momento, la razón por la que la gente no está construyendo 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 estás usando cada kilovatio que se genera, una porción significativa de esta energía podría simplemente desperdiciarse sin almacenamiento a gran escala.

Así que, si se encuentra una forma de almacenar la electricidad y luego usarla cuando se necesita, se va a resolver un problema económico importante. Eso haría que la expansión de fuentes renovables sea mucho más aceptable para inversores y la sociedad en general.

¿Tecnología Existente Aplicada de Forma Más Económica?

Tech Briefs: ¿Está diciendo básicamente que está usando tecnología existente pero aplicándola de una manera más económica y útil?

Profesor Ershaghi: Creo que nuestra contribución es lo siguiente. Número uno, es una tecnología probada, que la gente ha almacenado aire en domos de sal. Nuestra primera contribución es que no requieres un domo de sal —mientras tengas un acuífero salino, eso podría hacer el trabajo. Número dos, la impresión es que esto es costoso porque tienes que perforar el pozo. Pero hemos demostrado que podríamos usar pozos existentes destinados al abandono. Esa es la idea. Esencialmente usar los pozos inactivos, usar un acuífero salino, y expandir la tecnología para hacerla ampliamente disponible, mientras se reduce la responsabilidad para los estados y el público por los costos de abandono de pozos.

Pérdida de Energía al Operar el Compresor

Tech Briefs: ¿Qué pasa con la energía perdida al hacer funcionar el compresor?

Profesor Ershaghi: Supongamos que estás usando una fuente solar de cien megavatios. Para cuando tomas esos cien megavatios y los usas para producir aire comprimido, si miras el balance energético, por supuesto, pierdes energía. Así que puedes 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.

Así que, después de que los 100 megavatios se convierten en aire comprimido y pasa por el proceso de almacenamiento y se devuelve, podrías tener solo 60 megavatios utilizables. Pero es mejor ir de 100 a 60 que no generar ninguna energía útil en absoluto.

Operación General del Sistema

Tech Briefs: ¿Puede describir brevemente cómo funcionaría la operación general?

Profesor Ershaghi: En la instalación de Alabama, para comparar, usan el aire de retorno para girar el compresor. Cuando el aire vuelve, tiene que calentarse para expandirse para poder usarlo. Si haces eso, necesitas quemar gas natural para producir el calor. Nosotros no necesitamos eso porque usamos un compresor para aplicar presión al agua. Es la presión del agua la que opera la turbina.

Tech Briefs: ¿Cómo transfiere el aire comprimido su energía a la turbina?

Profesor Ershaghi: El aire comprimido de retorno sube a la superficie cuando se necesita, y presuriza el agua en un contenedor vertical de alta presión. La presión del agua activa y hace funcionar la turbina. La energía cinética para generar la electricidad viene de la presión del aire comprimido.

Incentivos Económicos

Tech Briefs: ¿Cuáles serían los incentivos económicos para construir estos sistemas?

Profesor Ershaghi: Primero, no tenemos que perforar el pozo y pasar por el proceso de permisos. En California, la mayoría de las tierras de petróleo y gas son tierras de propiedad absoluta. Si tengo título de una casa en tierra de propiedad absoluta, eso significa que poseo todo desde la superficie hasta el centro de la Tierra. Si resulta que hay un campo petrolífero debajo de mi tierra, puedo arrendar mis derechos a una compañía petrolera. Esto generalmente es 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 propiedad absoluta. Así que, si soy un operador, dueño de varios pozos, algunos de los cuales son económicamente improductivos, esto podría ser una fuente de ingresos. Si convierto esos pozos abandonados a almacenamiento, podría cobrar a una utility por el derecho a usarlos. El operador tendría entonces una fuente de ingresos de estos pozos no productores. Mientras tanto, los operadores eliminan o posponen el costo de abandono.

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

Las utilities lo encontrarían valioso porque podrían reducir la cantidad de petróleo y gas que necesitan para generar energía.

¿Perturbaciones Subterráneas Como en el Fracking?

Tech Briefs: ¿Podría haber perturbaciones subterráneas, como las que han ocurrido con el fracking?

Profesor Ershaghi: Me alegra que haga esa pregunta. Hubo un informe del Consejo Nacional de Recursos resumiendo la investigación sobre el tema de si el fracking ha causado temblores terrestres. Sus conclusiones fueron que no hay evidencia de que la práctica real del fracking causara los temblores. Concluyeron que los terremotos menores fueron causados por fluidos de desecho usados que se bombean a pozos de disposición. Continuamente agregar estos fluidos presuriza la arena, cambiando así los campos de tensión subterráneos.

Próximos Pasos

Tech Briefs: ¿Cuáles son sus próximos pasos?

Profesor Ershaghi: Tendremos un proyecto de demostración, que será financiado por utilities o compañías 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, incluyendo más investigación sobre la interacción de petróleo y agua. También estudiaremos nuevos materiales, tal vez poner nueva tubería, tal vez usar compuestos, diferentes tipos de cementos. Nuestro equipo incluye ingenieros eléctricos, científicos de investigación en aguas subterráneas, hidrólogos, ingenieros de yacimientos e ingenieros de compuestos que trabajarán en optimizar el sistema. Además, estudiaremos la caracterización del sitio, no solo para geología adecuada sino también para proximidad a la red eléctrica. También pretendemos aplicar tecnologías digitales para monitoreo del sitio.

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