Reinventando Poços de Petróleo e Gás Ociosos como Armazenamento de Energia Renovável – Estudo da USC

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 maiores preocupações para geração de energia solar e eólica.

A Origem da Ideia

Tech Briefs: De onde surgiu esta 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 permanentemente abandonados. O abandono de poços é uma grande questão que todas as empresas de petróleo enfrentam. Estou falando das grandes — empresas de menor porte que às vezes não podem arcar com o custo do abandono podem simplesmente declarar falência e ir embora. Então, torna-se responsabilidade do estado, e o custo de abandono pode ser enorme.

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

Um problema é que, quando você abandona um poço de forma inadequada, ele pode se tornar uma fonte de vazamento de gás. Não só isso é ruim por sua contribuição para gases de efeito estufa, mas não é nada agradável construir uma casa sem saber em cima de um poço abandonado e depois experimentar vazamento de gás na garagem.

Eu vinha investigando por que isso está acontecendo. Um dos meus pensamentos era que talvez não tivesse sido abandonado corretamente, talvez o cimento usado não fosse adequado. Então, parte do meu interesse tem sido como fazer isso de forma mais eficiente e responsável. Em muitos casos, é difícil até localizar um poço abandonado porque, quando alguém o abandona, eles cortam o revestimento 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 tinham 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 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 não necessária. Quando precisam usar a energia armazenada, liberam o ar comprimido para acionar uma turbina que produz eletricidade.

Embora não tenhamos domos de sal na Califórnia, sabemos que, à medida que você vai da superfície até as zonas de hidrocarbonetos no subsolo, existem camadas de arenito cheias de água salgada antiga. São sedimentos depositados na época em que a Califórnia estava coberta por água, então o teor de água dessas camadas geológicas é salino. Tivemos a ideia de que talvez pudéssemos usar a abordagem da McIntosh, mas, em vez disso, armazenar o ar comprimido nesses depósitos de areia contendo água salina. Um dos nossos professores, Dr. Jha, calculou que, se você pudesse ir abaixo de 4.000 pés, poderia ter armazenamento suficiente para produzir 5 a 10 megawatts de eletricidade em um raio de 2.000 pés ao redor de um poço ocioso reaproveitado como 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.

Regulamentações da Califórnia exigem que as concessionárias, até uma certa data, desenvolvam grande capacidade de armazenamento de energia. As concessionárias sob esse mandato legislativo estão lutando porque contavam com baterias, e, até agora, a tecnologia de baterias ainda não é boa o suficiente para satisfazer essa necessidade. Foi quando percebemos que uma solução plausível na Califórnia poderia ser usar o aquífero salino para armazenar ar comprimido.

Ouvimos de empresas de petróleo que elas receberiam bem o uso de alguns de seus poços para armazenamento de energia, porque isso lhes daria créditos de carbono negativo. Na Califórnia, você tem que ser neutro em carbono — para cada barril de petróleo que produzem, os operadores têm que mostrar de alguma forma que estão mitigando a questão do CO₂.

Agora estamos 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 renováveis para o mercado de energia da Califórnia.

Detalhes Técnicos da Solução

Tech Briefs: Onde você coloca o cimento em relação ao aquífero?

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

Por outro lado, estamos sugerindo uma solução que não requer cortar o poço. O petróleo e 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 energia excedente, seria perfeito se pudesse ser armazenada para uso à noite ou para fornecer energia elétrica quando há um blecaute. Minha proposta é armazenar esse excesso de energia para uso posterior, quando necessário, usando-a para acionar um compressor de ar. O ar comprimido será então injetado no arenito portador de água salgada.

Fazemos algo semelhante a uma 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 subsequentemente 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 de poços existentes para que também possamos detectar, em tempo real, qualquer vazamento de hidrocarbonetos.

Como a água tem baixa compressibilidade, sua pressão de formação armazenada poderia 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 liga automaticamente para trazer a pressão de volta a 3.000 psi injetando mais ar.

Medindo 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.

A Interação entre Ar e Água

Tech Briefs: 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 injeta o gás, ele empurra o petróleo para trás e, quando produz, você produz. É como um ioiô indo para frente e para trás, para frente e para trás: injeta e depois produz.

Calculamos que você poderia armazenar 5 a 10 megawatts por poço. Multiplique isso pelos aproximadamente 37.000 poços ociosos na Califórnia, e você tem gigawatts. Isso seria uma grande fonte de eletricidade. O estado poderia se tornar auto-suficiente, não precisaria mais importar combustível. Isso seria ganha-ganha porque a produção de petróleo e gás na Califórnia está diminuindo, enquanto a demanda por eletricidade não vai a lugar nenhum.

Digamos que sou um operador de campo de petróleo, e posso ter mil poços. Posso saber que uma certa porção do reservatório foi 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 aqueles, você facilmente constrói uma instalação de 100 megawatts.

A beleza deste método é que poderia ser usado na maior parte dos Estados Unidos — não se limita a áreas produtoras de petróleo.

Por exemplo, em Nova York, embora você não tenha produção de petróleo e gás em grande escala, você tem depósitos de areias com água acima do xisto Devónico, que poderiam ser usados. Em qualquer parte dos EUA, à medida que você perfura para baixo, você vai ver aquíferos salinos. Há um milhão de anos, grande parte dos EUA estava coberta por vias navegáveis, então agora há sedimentos úmidos por todo o subsolo. Você poderia estar em um estado que nunca produziu uma gota de petróleo ou gás, mas ainda teria essas camadas úmidas no subsolo. O Serviço Geológico dos EUA tem mapas que mostram a localização de depósitos subterrâneos de areias úmidas.

Requisitos de Água Salina e Vantagens

Tech Briefs: Você mencionou que na Califórnia essas areias contêm água salgada; precisa ser salina para funcionar?

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

A explicação pede uma breve lição de geologia. Se você plotar a temperatura da Terra nos últimos 300 milhões de anos, essencialmente mostra que a temperatura da Terra era às vezes muito alta e às vezes muito baixa. Quando grande parte da superfície da Terra estava coberta com água, ela passou por períodos de congelamento e degelo. Isso gradualmente quebrou áreas de formações rochosas, e materiais detríticos se acumularam.

Os sedimentos formados pela erosão rochosa tornaram-se saturados com água do mar com a elevação dos oceanos. É por isso que os depósitos mais profundos de água são salinos, enquanto a água doce que é desesperadamente necessária em lugares como a Califórnia é muito mais rasa e geralmente reposta com água da chuva.

Como você sabe, há um esforço em andamento nas últimas duas décadas para captura e sequestro de carbono. A ideia tem sido que, se você tem muito dióxido de carbono, você apenas o armazena em formações geológicas do subsolo. Mas houve preocupações sobre vazamento de dióxido de carbono. Então, em nosso conceito proposto de armazenamento de energia, também nos beneficiamos dessa experiência, porque há muita pesquisa e modelagem concernente a sequestro de CO₂ no subsolo. Nossa situação é muito mais simples porque, se você armazena ar no subsolo, mesmo que vaze, quem liga — você está apenas adicionando mais ar ao ar, não há dióxido de carbono, não há combustível tóxico, é apenas ar.

Agora, a razão pela qual as pessoas não estão construindo 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 parcela significativa dessa energia poderia simplesmente ser desperdiçada sem armazenamento em grande escala.

Então, se você criar uma maneira de armazenar a eletricidade e depois usá-la quando precisar, você vai resolver um grande problema econômico. Isso tornaria a expansão de fontes renováveis muito mais aceitável para investidores e para a sociedade em geral.

Tecnologia Comprovada Aplicada de Forma Inovadora

Tech Briefs: Você está basicamente dizendo que está usando tecnologia existente, mas aplicando-a de uma forma mais econômica e útil?

Professor Ershaghi: Acho que nossa contribuição é o seguinte. Número um, é uma tecnologia comprovada, que as pessoas armazenaram ar em domos de sal. Nossa primeira contribuição é que você não precisa de um domo de sal — desde 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 destinados ao abandono. Essa é a ideia. Então, essencialmente, use os poços ociosos, use um aquífero salino, e expanda a tecnologia para torná-la amplamente disponível, enquanto reduz a responsabilidade para os estados e o público pelos custos de abandono de poços.

Perdas de Energia no Compressor

Tech Briefs: E sobre a energia perdida no funcionamento do compressor?

Professor Ershaghi: Vamos assumir que você está 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 olhar para o balanço energético, claro, você perde energia. Então, você pode ter uma fração dos megawatts disponíveis.

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

Então, depois que os 100 megawatts são convertidos em ar comprimido e 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.

Operação Geral do Sistema

Tech Briefs: Você pode descrever brevemente como a operação geral funcionaria?

Professor Ershaghi: Na instalação do Alabama, para comparação, eles usam o ar de retorno para girar o compressor. Quando o ar volta, ele tem que ser aquecido para expandir para que possam usá-lo. Se você fizer isso, precisa 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.

Tech Briefs: Como o ar comprimido transfere sua energia para a turbina?

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

Incentivos Econômicos

Tech Briefs: Quais seriam os incentivos econômicos para construir esses sistemas?

Professor Ershaghi: Primeiro, não precisamos perfurar o poço e passar pelo processo de licenciamento. Na Califórnia, a maioria das terras de petróleo e gás são terras de propriedade plena. Se eu tenho título de uma casa em terra de propriedade plena, isso significa que eu possuo tudo da superfície até o centro da Terra. Se acontece que há um campo de petróleo sob minha terra, posso arrendar meus direitos para uma empresa de petróleo. Geralmente é na forma de uma porcentagem da renda do que é produzido a cada mês.

A terra pertencente à maioria das empresas de petróleo é terra de propriedade plena. Então, se sou um operador que possui vários poços, alguns dos quais economicamente improdutivos, isso poderia ser uma fonte de renda. Se converto esses poços abandonados para armazenamento, posso cobrar uma concessionária pelo direito de usá-los. O operador então teria uma fonte de renda desses poços não produtivos. Enquanto isso, os operadores eliminam ou adiam o custo de abandono.

Isso também poderia ser uma nova fonte de renda para proprietários de terras: arrendar seus direitos de subsolo para operadores de armazenamento.

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

Riscos de Distúrbios Subterrâneos

Tech Briefs: Poderiam haver distúrbios subterrâneos, como os que ocorreram com fracking?

Professor Ershaghi: Fico feliz que você fez essa pergunta. Houve um relatório do Conselho Nacional de Recursos resumindo pesquisas sobre a questão de se o fracking causou tremores de terra. Suas conclusões foram que não há evidências de que a prática real de fracking causou os tremores. Concluíram que pequenos terremotos foram causados por fluidos residuais usados que são bombeados para poços de descarte. Adicionar continuamente esses fluidos pressuriza a areia, alterando assim os campos de tensão do subsolo.

Próximos Passos

Tech Briefs: Quais são seus próximos passos?

Professor Ershaghi: Teremos um projeto de demonstração, que será financiado por concessionárias ou empresas de petróleo. Espero que possamos ter um local até o próximo outono. Já identificamos alguns locais que seriam ideais, pelo menos para uma demonstração. Pode custar 22 milhões de dólares 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 água subterrânea, hidrólogos, engenheiros de reservatório e engenheiros de compósitos que trabalharão na otimização do sistema. Além disso, estudaremos caracterização de locais, não apenas para geologia adequada, mas também para proximidade à rede elétrica. Também pretendemos aplicar tecnologias digitais para monitoramento de locais.

Uma versão editada desta entrevista apareceu na edição de fevereiro de 2021 da Tech Briefs.