Perguntas e Respostas:Poços de Petróleo e Gás para Armazenamento de Energia

O professor Iraj Ershaghi e uma equipe de pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia (USC) encontraram uma maneira de usar poços de petróleo e gás ociosos para armazenamento de energia – uma das principais preocupações para geração de energia solar e eólica.

Resumos técnicos: De onde veio essa ideia?

Professor Iraj Ershaghi: Um grande problema neste país é o que fazer com o grande número de poços de petróleo e gás que chegaram ao fim de suas vidas produtivas e precisam ser abandonados permanentemente. O abandono de poços é um grande problema enfrentado por todas as companhias petrolíferas. Estou falando das grandes empresas – empresas de menor porte que às vezes não podem pagar pelo custo do abandono podem simplesmente declarar falência e ir embora. Torna-se então uma responsabilidade do Estado, e o custo do abandono pode ser enorme.

Existem mais de 37.000 Wells na Califórnia que estão atualmente ociosos e, em todos os EUA, você está falando de mais de um milhão. Sempre tive algum interesse na questão do abandono de poço e pensei no que a comunidade de engenharia pode fazer para reduzir o custo do abandono e fazê-lo de forma mais eficaz.

Um problema é que quando você abandona indevidamente um poço, ele pode se tornar uma fonte de vazamento de gás. Isso não é apenas ruim por causa de sua contribuição para os gases de efeito estufa, mas não é divertido construir uma casa sem saber em cima de um poço abandonado e depois experimentar o vazamento de gás na garagem.

Eu estava investigando a questão de por que isso está acontecendo. Um dos meus pensamentos era que talvez não tivesse sido abandonado corretamente, talvez o cimento que eles usaram não fosse adequado. Então, parte do meu interesse tem sido como fazê-lo com mais eficiência e responsabilidade. Em muitos casos, é difícil até mesmo localizar um poço abandonado porque quando alguém o abandona, eles cortam o revestimento da cabeça do poço para que possa ser escondido.

Então, uma empresa nos abordou e disse que estaria interessada em trabalhar com a USC para ver se poderíamos ajudá-los com um problema significativo que a indústria de energia renovável está enfrentando – armazenamento de energia. Eles tiveram a impressão de que talvez reservatórios vazios de petróleo e gás pudessem ser usados ​​como armazenamento. Minha primeira resposta foi:nem pense nisso. Não é prudente injetar ar comprimido, com oxigênio, em reservatórios de hidrocarbonetos.

Eu sabia que a McIntosh Power Company em McIntosh, Alabama, havia perfurado enormes estruturas geológicas feitas de sal, chamadas de domos de sal. Eles criaram cavidades nesses depósitos de sal para armazenar ar comprimido durante os momentos em que uma fonte de energia está produzindo excesso de energia desnecessária. Quando eles precisam usar a energia armazenada, eles liberam o ar comprimido para acionar uma turbina que produz eletricidade.

Embora não tenhamos cúpulas de sal na Califórnia, sabemos que, à medida que você vai da superfície até as zonas de hidrocarbonetos subsuperficiais, há camadas de arenito cheias de água salgada antiga. Estes são sedimentos que foram depositados na época em que a Califórnia foi coberta por água, então o conteúdo de água dessas camadas geológicas é salino. Tivemos a ideia de que talvez pudéssemos usar a abordagem McIntosh, mas, em vez disso, armazenar o ar comprimido nesses depósitos de areia contendo água salina. Um dos membros do nosso corpo docente, Dr. Jha, calculou que se você pudesse descer abaixo de 4.000 pés, você poderia ter armazenamento suficiente para produzir de 5 a 10 megawatts de eletricidade em um raio de 2.000 pés em torno de um poço ocioso reaproveitado como um poço de injeção. Existem muitos acre-pés de camadas ao redor de poços na Califórnia que podem ser usados ​​para uma grande quantidade de armazenamento.

As regulamentações da Califórnia exigem que as concessionárias, em uma determinada data, apresentem grande capacidade de armazenamento de energia. As concessionárias sob este mandato legislativo estão lutando porque estavam contando com baterias e, a partir de agora, a tecnologia de baterias ainda não é boa o suficiente para atender a essa necessidade. Foi quando nos demos conta de que uma solução plausível na Califórnia poderia ser usar o aquífero salino para armazenar ar comprimido.

Ouvimos de empresas petrolíferas que eles gostariam de usar alguns de seus poços para armazenamento de energia, porque isso lhes daria créditos negativos de carbono. Na Califórnia, você precisa ser neutro em carbono - para cada barril de petróleo que produzem, os operadores precisam mostrar de alguma forma que estão mitigando o CO_2. questão.

Estamos agora conversando com alguns dos operadores que demonstraram interesse em usar seus poços ociosos para um projeto de demonstração.

Meus colegas e eu estamos muito animados em pensar que isso será transformador para facilitar e trazer energias renováveis ​​para o mercado de energia da Califórnia.

Resumos técnicos: Onde você coloca o cimento em relação ao aquífero?

Professor Ershaghi: Um poço típico tem uma série de tubos que levam aos depósitos de hidrocarbonetos. Em um poço ocioso, um tampão de cimento é colocado acima da camada de hidrocarboneto. No entanto, o revestimento de superfície pode ser cortado 50 ou 70 pés abaixo da superfície e preenchido. Isso às vezes pode se tornar uma preocupação ambiental que exige remediação dispendiosa.

Por outro lado, estamos sugerindo uma solução que não requer o corte da cabeça do poço. O petróleo e o gás podem estar a 9.000 pés verticalmente abaixo da superfície, mas pode haver centenas de pés de arenito contendo água salgada, talvez 5.000 pés abaixo da superfície. Esses depósitos foram anteriormente ignorados por causa da água salina.

Se uma fonte de energia solar está produzindo excesso de energia, seria perfeito se ela pudesse ser armazenada para uso noturno ou para fornecer energia elétrica quando houver um blecaute. Minha proposta é armazenar esse excesso de energia para uso posterior, quando for necessário, usando-o para acionar um compressor de ar. O ar comprimido será então injetado no arenito contendo água salgada.

Fazemos algo semelhante à barragem de água, onde você produz eletricidade porque a água libera sua energia potencial fluindo para baixo sobre a barragem e girando uma turbina. Neste cenário, a energia cinética do ar comprimido é transferida para a água que energiza uma turbina e posteriormente um gerador. Quando a energia armazenada é necessária, o ar pressurizado sobe à superfície e pressuriza um recipiente de água para acionar uma turbina.

Além disso, estamos propondo colocar sensores na superfície dos poços existentes para que também possamos detectar, em tempo real, qualquer vazamento de hidrocarbonetos.

Como a água tem uma baixa compressibilidade, sua pressão de formação armazenada pode ser, por exemplo, 3.000 libras por polegada quadrada. Quando você produz a partir disso por alguns dias, a pressão cai muito rapidamente. Quando cai para um certo nível, digamos 500 psi, o compressor inicia automaticamente para trazer a pressão de volta para 3000 psi injetando mais ar.

Ao medir a espessura e a área dos depósitos de zonas úmidas, sabemos o volume e podemos calcular quanto ar pode ser armazenado para ser convertido em energia. Nossos cálculos mostram que isso não adicionaria mais do que alguns centavos ao custo da eletricidade.

Resumos técnicos: Você poderia explicar um pouco mais sobre a ação entre o ar e a água?

Professor Ershaghi: É semelhante ao que fazemos quando armazenamos gás natural. Você armazena gás natural em um reservatório de petróleo. Quando você injeta o gás, ele empurra o óleo de volta e quando você produz, você produz. É como um ioiô indo e voltando, indo e voltando:injete e depois produza.

Calculamos que você poderia armazenar de 5 a 10 megawatts por poço. Multiplique isso pelos aproximadamente 37.000 poços ociosos na Califórnia e você terá gigawatts. Esta seria uma importante fonte de eletricidade. O Estado poderia se tornar autossuficiente, não precisaria mais importar combustível. Isso seria vantajoso porque a produção de petróleo e gás na Califórnia está diminuindo, enquanto a demanda por eletricidade não está indo a lugar nenhum.

Digamos que eu seja um operador de campo de petróleo e talvez tenha mil poços. Eu poderia saber que uma certa porção do reservatório estava esgotada. Esses poços não seriam mais capazes de produzir petróleo suficiente para torná-los economicamente viáveis. Pode haver 10 a 30 poços nessa área esgotada. Com eles, você constrói facilmente uma instalação de 100 megawatts.

A beleza desse método é que ele pode ser usado na maior parte dos Estados Unidos – não se limita a áreas produtoras de petróleo.

Por exemplo, em Nova York, embora não haja produção de petróleo e gás em larga escala, há depósitos de areias aquáticas acima do xisto Devoniano, que poderiam ser aproveitadas. Em qualquer parte dos EUA, à medida que você detalhar, verá aquíferos salinos. Há um milhão de anos, grande parte dos EUA era coberta por cursos d'água, então agora há sedimentos úmidos por toda parte. Você poderia estar em um estado que nunca produziu uma gota de petróleo ou gás, mas ainda teria essas camadas úmidas no subsolo. A pesquisa geológica dos EUA tem mapas que mostram a localização de depósitos subterrâneos de areias úmidas.

Resumos técnicos: Você mencionou que na Califórnia essas areias contêm água salgada; tem que ser salino para isso funcionar?

Professor Ershaghi: Com a escassez de água doce que estamos enfrentando em muitas partes dos EUA, não seria uma boa ideia usar recursos subterrâneos de água doce para esse fim. No entanto, se formos fundo o suficiente, qualquer água que descobrirmos provavelmente será salina.

A explicação exige uma breve lição de geologia. Se você traçar a temperatura da Terra nos últimos 300 milhões de anos, essencialmente, isso mostra que a temperatura da Terra foi às vezes muito alta e às vezes muito baixa. Quando grande parte da superfície da Terra estava coberta de água, ela passava por períodos de congelamento e degelo. Isso gradualmente derrubou áreas de formações rochosas e os materiais detríticos se acumularam.

Os sedimentos formados pela erosão das rochas ficaram saturados de água do mar com a ascensão dos oceanos. É por isso que os depósitos de água mais profundos são salinos, enquanto a água doce que é desesperadamente necessária em lugares como a Califórnia é muito mais rasa e geralmente reabastecida com água da chuva.

Como você sabe, tem havido um esforço nas últimas duas décadas para captura e sequestro de carbono. A ideia é que se você tem muito dióxido de carbono, você apenas o armazena em formações geológicas subterrâneas. Mas tem havido preocupações sobre o vazamento de dióxido de carbono. Então, em nosso conceito de armazenamento de energia proposto, também estamos nos beneficiando dessa experiência, porque há muita pesquisa e modelagem sobre CO de subsuperfície₂ sequestro. Nossa situação é muito mais simples porque se você armazena ar no subsolo, mesmo que vaze, quem se importa - você está apenas adicionando mais ar ao ar, não há dióxido de carbono, não há combustível tóxico, é apenas ar.

No momento, a razão pela qual as pessoas não estão construindo energias renováveis ​​tão rápido quanto necessário é porque a economia não parece boa. O fato é que custa muito dinheiro construir essas instalações e, neste momento, você não está usando cada quilowatt que está sendo gerado, uma parte significativa dessa energia pode ser desperdiçada sem armazenamento em grande escala.

Então, se você encontrar uma maneira de armazenar a eletricidade e usá-la quando precisar, resolverá um grande problema econômico. Isso tornaria a expansão das fontes renováveis ​​muito mais aceitável para os investidores e para a sociedade em geral.

Resumos técnicos: Você está basicamente dizendo que está usando a tecnologia existente, mas aplicando-a de uma maneira mais econômica e útil?

Professor Ershaghi: Acho que nossa contribuição é mais o seguinte. Número um, é uma tecnologia comprovada, que as pessoas armazenaram ar em cúpulas de sal. Nossa primeira contribuição é que você não precisa de uma cúpula de sal – contanto que você tenha um aquífero salino, isso pode fazer o trabalho. Número dois, a impressão é que isso é caro porque você tem que perfurar o poço. Mas mostramos que poderíamos usar poços existentes que estão destinados ao abandono. Essa é a ideia. Então, essencialmente, use os poços ociosos, use um aquífero salino e expanda a tecnologia para torná-lo amplamente disponível, reduzindo a responsabilidade dos estados e do público pelos custos de abandono dos poços.

Resumos técnicos: E quanto à energia perdida na operação do compressor?

Professor Ershaghi: Vamos supor que você esteja usando uma fonte solar de cem megawatts. No momento em que você pega esses cem megawatts e os usa para produzir ar comprimido, se você observar o balanço de energia, é claro, você perde energia. Então, você pode ter uma fração dos megawatts disponíveis.

Mas isso é a mãe natureza. O conceito de entropia é que a energia é sempre perdida em qualquer processo em que o trabalho é realizado. Essa é uma área de pesquisa:como minimizar as perdas.

Então, depois que os 100 megawatts são convertidos em ar comprimido e ele passa pelo processo de armazenamento e é devolvido, você pode ter apenas 60 megawatts utilizáveis. Mas é melhor ir de 100 para 60 do que não gerar nenhuma energia útil.

Resumos técnicos: Você pode descrever brevemente como a operação geral funcionaria.

Professor Ershaghi: Nas instalações do Alabama, para comparação, eles usam o ar de retorno para girar o compressor. Quando o ar volta, ele precisa ser aquecido para se expandir para que eles possam usá-lo. Se você fizer isso, precisará queimar gás natural para produzir o calor. Não precisamos disso porque usamos um compressor para aplicar pressão à água. É a pressão da água que opera a turbina.

Resumos técnicos: Como o ar comprimido transfere sua energia para a turbina?

Professor Ershaghi: O ar comprimido retornado vem à superfície quando necessário e pressuriza a água em um recipiente vertical de alta pressão. A pressão da água ativa e aciona a turbina. A energia cinética para gerar a eletricidade vem da pressão do ar comprimido.

Resumos técnicos: Quais seriam os incentivos econômicos para a construção desses sistemas?

Professor Ershaghi: Em primeiro lugar, não precisamos perfurar o poço e passar pelo processo de licenciamento. Na Califórnia, a maioria das terras de petróleo e gás são terras de taxa. Se eu tenho o título de uma casa em um terreno pago, isso significa que possuo tudo, desde a superfície até o centro da terra. Se descobrir que há um campo de petróleo embaixo da minha terra, posso arrendar meus direitos para uma companhia de petróleo. Isso geralmente é na forma de uma porcentagem da renda do que é produzido a cada mês.

A terra de propriedade da maioria das companhias de petróleo é terra de taxa. Então, se eu sou um operador, que tem vários poços, alguns deles economicamente improdutivos, isso pode ser uma fonte de renda. Se eu converter esses poços abandonados em armazenamento, posso cobrar de uma concessionária o direito de usá-los. O operador teria então uma fonte de receita desses poços não produtores. Enquanto isso, as operadoras eliminam ou adiam o custo de abandono.

Isso também pode ser uma nova fonte de renda para os proprietários de terras:o arrendamento de seus direitos de subsuperfície para operadores de armazenamento.

As concessionárias achariam que valeria a pena porque poderiam reduzir a quantidade de petróleo e gás de que precisam para gerar energia.

Resumos técnicos: Poderia haver distúrbios subterrâneos, como ocorreu com o fracking?

Professor Ershaghi: Fico feliz que você tenha feito essa pergunta. Houve um relatório do Conselho Nacional de Recursos resumindo a pesquisa sobre a questão de saber se o fracking causou tremores de terra. Suas conclusões foram de que não há evidências de que a prática real de fraturamento tenha causado os tremores. Eles concluíram que pequenos terremotos foram causados ​​por fluidos usados ​​que são bombeados para poços de descarte. A adição contínua desses fluidos pressuriza a areia, alterando assim os campos de tensão do subsolo.

Resumos técnicos: Quais são seus próximos passos?

Professor Ershaghi: Teremos um projeto de demonstração, que será financiado por concessionárias ou companhias de petróleo. Espero que possamos ter um site no próximo outono. Já identificamos alguns sites que seriam ideais, pelo menos para demonstração. Pode custar US$ 22 milhões para uma instalação de geração de 5 megawatts, incluindo mais pesquisas sobre a interação de óleo e água. Também estaremos estudando novos materiais, talvez colocando novos tubos, talvez usando compósitos, diferentes tipos de cimentos. Nossa equipe inclui engenheiros elétricos, cientistas de pesquisa em águas subterrâneas, hidrologistas, engenheiros de reservatórios e engenheiros de compostos que trabalharão na otimização do sistema. Além disso, estudaremos a caracterização do local, não apenas pela geologia adequada, mas também pela proximidade da rede elétrica. Pretendemos também aplicar tecnologias digitais para monitoramento de sites.

Uma versão editada desta entrevista foi publicada na edição de fevereiro de 2021 do Tech Briefs.