Q&A:에너지 저장을 위한 유정 및 가스정

University of Southern California(USC)의 Iraj Ershaghi 교수와 연구원 팀은 에너지 저장을 위해 유휴 유정 및 가스정을 사용하는 방법을 찾았습니다. 이는 태양열 및 풍력 에너지 발전의 주요 관심사 중 하나입니다.

기술 요약: 이 아이디어는 어디에서 왔습니까?

이라지 에르샤기 교수: 이 나라의 주요 문제는 생산 수명이 다하여 영구적으로 버려야 하는 수많은 유정과 가스정을 어떻게 처리할 것인가 하는 것입니다. 유정 폐기는 모든 석유 회사가 직면한 주요 문제입니다. 나는 메이저에 대해 이야기하고 있습니다. 때때로 포기 비용을 지불할 여력이 없는 소규모 회사는 파산을 선언하고 물러날 수도 있습니다. 그러면 국가의 책임이 되고, 포기의 대가는 엄청날 수 있습니다.

캘리포니아에는 현재 유휴 상태인 37,000개 이상의 Wells가 있으며, 미국 전역에서는 백만 개 이상에 대해 이야기하고 있습니다. 저는 항상 유정 폐기 문제에 약간의 관심이 있었고 엔지니어링 커뮤니티가 폐기 비용을 줄이고 더 효과적으로 수행할 수 있는 방법에 대해 생각했습니다.

한 가지 문제는 우물을 부적절하게 버리면 가스 누출의 원인이 될 수 있다는 것입니다. 이것은 온실 가스에 대한 기여 때문에 나쁠 뿐만 아니라, 무의식적으로 버려진 우물 위에 집을 짓고 차고로 가스가 누출되는 경험을 하는 것도 재미가 없습니다.

왜 이런 일이 일어나고 있는지에 대한 질문을 조사하고 있었습니다. 내 생각 중 하나는 아마도 제대로 버려지지 않았거나 그들이 사용한 시멘트가 적절하지 않았을 수도 있다는 것입니다. 그래서 제 관심의 일부는 더 효율적이고 책임감 있게 작업하는 방법이었습니다. 많은 경우 버려진 유정을 찾는 것조차 어려운 이유는 누군가 유정을 버리면 유정 케이싱을 잘려 숨길 수 있기 때문입니다.

그런 다음 한 회사에서 우리에게 접근하여 재생 에너지 산업이 직면하고 있는 중요한 문제인 에너지 저장에 대해 우리가 도울 수 있는지 알아보기 위해 USC와 협력하는 데 관심이 있다고 말했습니다. 그들은 비어 있는 석유 및 가스 저장고를 저장고로 사용할 수 있다는 인상을 받았습니다. 내 첫 번째 대답은:그것에 대해 생각조차 하지 마십시오. 탄화수소 저장소에 산소와 함께 압축 공기를 주입하는 것은 현명하지 않습니다.

나는 앨라배마주 매킨토시에 있는 매킨토시 전력 회사가 소금 돔이라고 불리는 소금으로 만들어진 거대한 지질 구조를 시추했다는 사실을 알고 있었습니다. 그들은 에너지원이 필요하지 않은 과도한 전력을 생산할 때 압축 공기를 저장하기 위해 이러한 소금 퇴적물에 공동을 만들었습니다. 저장된 에너지를 사용해야 할 때 압축 공기를 방출하여 전기를 생산하는 터빈을 가동합니다.

캘리포니아에는 소금 돔이 없지만 표면에서 지하 탄화수소 지대까지 내려가면서 고대 염수로 가득 찬 사암 층이 있다는 것을 알고 있습니다. 이들은 캘리포니아가 물로 덮였을 때 퇴적된 퇴적물이므로 이 지질층의 수분 함량은 염분입니다. 우리는 매킨토시 접근 방식을 사용할 수 있다는 아이디어를 얻었지만 대신 이러한 염수 함유 모래 퇴적물에 압축 공기를 저장했습니다. 교수 중 한 명인 Jha 박사는 4000피트 아래로 내려가면 주입정으로 용도가 변경된 유휴 유정 주변 2000피트 반경에서 5~10메가와트의 전기를 생산할 수 있는 충분한 저장 공간을 가질 수 있다고 계산했습니다. 캘리포니아의 우물 주변에는 많은 양의 저장에 사용할 수 있는 많은 에이커 피트의 층이 있습니다.

캘리포니아 규정에 따르면 유틸리티는 특정 날짜까지 대규모 에너지 저장 용량을 확보해야 합니다. 이 입법 명령에 따라 유틸리티는 배터리에 의존했기 때문에 어려움을 겪고 있으며 현재로서는 배터리 기술이 아직 이러한 요구를 충족시킬 만큼 충분하지 않습니다. 그 때 우리는 캘리포니아에서 그럴듯한 해결책이 염수 대수층을 사용하여 압축 공기를 저장하는 것일 수 있다는 사실을 깨달았습니다.

우리는 석유 회사로부터 에너지 저장을 위해 일부 유정을 사용하는 것을 환영할 것이라고 들었습니다. 왜냐하면 그것이 탄소 마이너스 크레딧을 주기 때문입니다. 캘리포니아에서는 탄소 중립적이어야 합니다. 생산하는 모든 석유 배럴에 대해 운영자는 어떻게든 CO_2.를 완화하고 있음을 보여야 합니다. 문제입니다.

우리는 이제 시범 프로젝트를 위해 유휴 유정을 사용하는 데 관심을 보인 일부 운영자와 이야기하고 있습니다.

동료들과 저는 이것이 캘리포니아 에너지 시장에 재생 가능 에너지를 촉진하고 도입하는 데 혁신적일 것이라고 생각하게 되어 매우 기쁩니다.

기술 요약: 대수층과 관련하여 시멘트를 어디에 두나요?

에르샤기 교수: 전형적인 우물에는 탄화수소 퇴적물로 이어지는 일련의 파이프가 있습니다. 유휴 우물에서 시멘트 플러그는 탄화수소 층 위에 배치됩니다. 그러나 표면 케이싱은 표면 아래 50 또는 70피트에서 절단되어 채워질 수 있습니다. 이는 때때로 값비싼 개선이 필요한 환경 문제가 될 수 있습니다.

반면에 유정을 절단할 필요가 없는 솔루션을 제안하고 있습니다. 석유와 가스는 수직으로 지표면 아래 9000피트에 있을 수 있지만 바닷물을 포함하는 수백 피트의 사암이 있을 수 있습니다. 아마도 지표면 아래 5000피트일 것입니다. 이러한 퇴적물은 이전에 염수로 인해 무시되었습니다.

태양 에너지원이 과잉 전력을 생산하는 경우 야간에 사용하거나 정전 시 전력을 공급하기 위해 저장할 수 있다면 완벽할 것입니다. 내 제안은 나중에 필요할 때 공기 압축기를 작동하는 데 사용하여 사용하기 위해 초과 전력을 저장하는 것입니다. 압축 공기는 염수를 함유한 사암에 주입됩니다.

우리는 물 댐과 비슷한 일을 합니다. 물이 댐 위로 아래로 흐르고 터빈을 돌려 위치 에너지를 방출하기 때문에 전기를 만드는 곳입니다. 이 시나리오에서 압축 공기의 운동 에너지는 터빈에 전력을 공급하고 이어서 발전기에 전력을 공급하는 물로 전달됩니다. 저장된 에너지가 필요할 때 압축된 공기가 표면으로 올라오고 터빈을 작동시키기 위해 물이 담긴 용기에 압력을 가합니다.

또한 탄화수소 누출을 실시간으로 감지할 수 있도록 기존 유정 표면에 센서를 설치하는 것을 제안합니다.

물은 압축률이 낮기 때문에 저장된 형성 압력은 ​​예를 들어 평방 인치당 3000파운드일 수 있습니다. 그로부터 며칠 동안 생산하면 압력이 매우 빠르게 떨어집니다. 특정 수준(예:500psi)으로 떨어지면 압축기가 자동으로 시작되어 더 많은 공기를 주입하여 압력을 다시 3000psi로 되돌립니다.

습지 퇴적물의 두께와 면적을 측정함으로써 우리는 부피를 알고 전력으로 변환하기 위해 저장할 수 있는 공기의 양을 계산할 수 있습니다. 우리의 계산에 따르면 이것이 전기 비용에 몇 푼도 추가되지 않는다는 것을 보여줍니다.

기술 요약: 공기와 물 사이의 작용에 대해 좀 더 설명해 주시겠습니까?

에르샤기 교수: 우리가 천연가스를 저장할 때 하는 것과 비슷합니다. 석유 저장소에 천연 가스를 저장합니다. 가스를 주입하면 오일을 뒤로 밀어내고 생산할 때 생산합니다. 마치 요요가 왔다 갔다 하는 것과 같습니다. 주입하고 생산합니다.

우리는 유정당 5~10메가와트를 저장할 수 있다고 계산했습니다. 여기에 캘리포니아에 있는 약 37,000개의 유휴 유정을 곱하면 기가와트가 됩니다. 이것은 주요 전기 공급원이 될 것입니다. 국가는 자급자족할 수 있으며 더 이상 연료를 수입할 필요가 없습니다. 캘리포니아의 석유 및 가스 생산량은 감소하고 있지만 전기 수요는 어디로도 가지 않고 있기 때문에 이는 윈-윈이 될 것입니다.

제가 유전 운영자이고 천 개의 우물이 있다고 가정해 보겠습니다. 저수지의 특정 부분이 고갈되었음을 알 수 있습니다. 이러한 유정은 더 이상 경제적으로 실행 가능하도록 충분한 석유를 생산할 수 없습니다. 고갈된 지역에 10~30개의 우물이 있을 수 있습니다. 이를 통해 100메가와트 설비를 쉽게 구축할 수 있습니다.

이 방법의 장점은 미국 대부분의 지역에서 사용할 수 있다는 것입니다. 석유 생산 지역에만 국한되지 않습니다.

예를 들어, 뉴욕에서는 대규모 석유 및 가스 생산이 없지만 데본기 혈암 위에 물 모래가 매장되어 있어 사용할 수 있습니다. 드릴다운하면 미국의 어느 지역에서든 식염수 대수층을 볼 수 있습니다. 100만년 전에는 미국의 대부분이 수로로 덮여 있었기 때문에 지금은 습한 퇴적물이 도처에 있습니다. 한 방울의 기름이나 가스를 생산하지 않은 상태에 있을 수 있지만 여전히 이러한 젖은 층이 지하에 있을 것입니다. 미국 지질 조사에는 젖은 모래의 지하 퇴적물의 위치를 ​​보여주는 지도가 있습니다.

기술 요약: 캘리포니아에서 이 모래에는 바닷물이 포함되어 있다고 언급하셨습니다. 이것이 작동하려면 식염수여야 하나요?

에르샤기 교수: 미국의 많은 지역에서 우리가 직면하고 있는 담수 부족으로 인해 지하 담수 자원을 이러한 목적으로 사용하는 것은 좋은 생각이 아닙니다. 그러나 우리가 충분히 깊이 들어가면 우리가 발견하는 모든 물은 염분이 될 가능성이 높습니다.

설명은 지질학에 대한 간단한 수업을 요구합니다. 지난 3억 년 동안의 지구의 온도를 도표화하면 본질적으로 지구의 온도가 때로는 매우 높았고 때로는 매우 낮았다는 것을 보여줍니다. 지구 표면의 많은 부분이 물로 덮였을 때, 그것은 얼고 녹는 기간을 거쳤습니다. 이것은 점차적으로 암석의 영역을 무너뜨리고 퇴적물이 축적되었습니다.

암석 침식으로 형성된 퇴적물은 대양의 상승과 함께 바닷물로 포화되었습니다. 그렇기 때문에 가장 깊은 곳의 물은 염분인 반면, 캘리포니아와 같은 곳에서 절실히 필요한 민물은 훨씬 얕고 대개 빗물로 채워집니다.

아시다시피 지난 20년 동안 탄소 포집 및 격리를 위한 노력이 있었습니다. 이산화탄소가 너무 많으면 지하 지질층에 저장하면 된다는 아이디어가 있습니다. 그러나 이산화탄소 누출에 대한 우려가 있습니다. 따라서 제안된 에너지 저장 개념에서 지하 CO₂에 관한 많은 연구와 모델링이 있기 때문에 우리는 또한 그 경험의 이점을 얻습니다. 격리. 공기를 지하에 저장하면 새는 경우라도 상관없습니다. 공기에 더 많은 공기를 추가하는 것뿐이므로 이산화탄소도 없고 독성 연료도 없고 그냥 공기이기 때문에 상황은 훨씬 간단합니다.

지금 사람들이 재생에너지를 필요한 만큼 빠르게 건설하지 않는 이유는 경제성이 좋지 않기 때문입니다. 사실, 이러한 시설을 구축하는 데 많은 비용이 들며, 현재 생성되는 모든 킬로와트를 사용하지 않고 있기 때문에 이 전력의 상당 부분이 대규모 저장 없이 낭비될 수 있습니다.

따라서 전기를 저장했다가 필요할 때 사용할 수 있는 방법을 고안하면 큰 경제적 문제를 해결할 수 있습니다. 그렇게 하면 투자자와 사회 전체가 재생 가능한 자원의 확장을 훨씬 더 수용할 수 있게 될 것입니다.

기술 요약: 기본적으로 기존 기술을 사용하지만 더 경제적이고 유용한 방식으로 적용한다는 말씀이신가요?

에르샤기 교수: 우리의 기여는 다음과 같다고 생각합니다. 첫째, 사람들이 소금 돔에 공기를 저장했다는 것은 입증된 기술입니다. 우리의 첫 번째 기여는 염수 돔이 필요하지 않다는 것입니다. 염수 대수층이 있으면 그 역할을 할 수 있습니다. 두 번째로, 우물을 뚫어야 하기 때문에 비용이 많이 든다는 인상을 받았습니다. 그러나 우리는 폐기될 예정인 기존의 우물을 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 바로 그 생각입니다. 따라서 본질적으로 유휴 우물을 사용하고, 식염수 대수층을 사용하고, 기술을 확장하여 널리 사용 가능하게 하는 동시에 유정 폐기 비용에 대한 국가와 대중의 책임을 줄입니다.

기술 요약: 압축기를 가동할 때 손실되는 에너지는 어떻습니까?

에르샤기 교수: 100메가와트의 태양열 소스를 사용하고 있다고 가정해 보겠습니다. 그 100메가와트를 사용하여 압축 공기를 생성할 때쯤이면 에너지 균형을 보면 당연히 에너지를 잃게 됩니다. 따라서 사용할 수 있는 메가와트의 일부가 있을 수 있습니다.

그러나 그것은 대자연입니다. 엔트로피의 개념은 작업이 수행되는 모든 프로세스에서 항상 에너지가 손실된다는 것입니다. 손실을 최소화하는 방법이 바로 연구 영역입니다.

따라서 100메가와트가 압축 공기로 변환되고 저장 과정을 거쳐 반환된 후 사용 가능한 60메가와트만 있을 수 있습니다. 그러나 유용한 전력을 전혀 생성하지 않는 것보다 100에서 60으로 낮추는 것이 좋습니다.

기술 요약: 전체 작업이 어떻게 작동하는지 간략하게 설명할 수 있습니까?

Ershaghi 교수: Alabama 시설에서는 비교를 위해 반환 공기를 사용하여 압축기를 돌립니다. 공기가 돌아올 때 사용할 수 있도록 팽창하기 위해 가열해야 합니다. 그렇게 하면 열을 생산하기 위해 천연 가스를 태워야 합니다. 압축기를 사용하여 물에 압력을 가하기 때문에 필요하지 않습니다. 터빈을 작동시키는 것은 수압입니다.

기술 요약: 압축 공기는 에너지를 터빈으로 어떻게 전달합니까?

Ershaghi 교수: 반환된 압축 공기는 필요할 때 표면으로 올라오고 고압 수직 용기의 물을 가압합니다. 수압은 터빈을 활성화하고 작동시킵니다. 전기를 생산하기 위한 운동 에너지는 압축 공기의 압력에서 나옵니다.

기술 요약: 이러한 시스템을 구축하기 위한 경제적 인센티브는 무엇입니까?

Ershaghi 교수: 우선 우물을 뚫고 허가 절차를 밟을 필요가 없습니다. 캘리포니아에서 대부분의 석유 및 가스 토지는 유료 토지입니다. 내가 유료 토지에 집에 대한 소유권을 가지고 있다면, 그것은 내가 지표면에서 지구의 중심에 이르기까지 모든 것을 소유한다는 것을 의미합니다. 내 땅 아래에 유전이 있는 것으로 판명되면 석유 회사에 내 권리를 임대할 수 있습니다. 이것은 일반적으로 매월 생산되는 수입의 백분율 형태입니다.

대부분의 석유 회사가 소유한 토지는 수수료 토지입니다. 따라서 제가 여러 유정을 소유하고 있고 그 중 일부는 경제적으로 비생산적인 운영자라면 이것이 수입원이 될 수 있습니다. 내가 그 버려진 우물을 저장고로 전환한다면, 나는 그것들을 사용할 권리에 대해 유틸리티를 청구할 수 있습니다. 그러면 운영자는 이러한 비생산 우물에서 수입원을 갖게 됩니다. 한편, 운영자는 포기 비용을 제거하거나 연기합니다.

이것은 또한 토지 소유자에게 새로운 수입원이 될 수 있습니다. 즉, 저장 운영자에게 지하 권리를 임대하는 것입니다.

전력을 생산하는 데 필요한 석유와 가스의 양을 줄일 수 있기 때문에 공익 사업체는 이를 가치 있게 여길 것입니다.

기술 요약: 프래킹과 같은 지하 교란이 있었을까요?

Ershaghi 교수: 그 질문을 해주셔서 기쁩니다. 파쇄가 지진을 일으켰는지 여부에 대한 문제에 대한 연구를 요약한 국가 자원 위원회(National Resource Council)의 보고서가 있었습니다. 그들의 결론은 파쇄의 실제 관행이 진동을 일으켰다는 증거가 없다는 것이었습니다. 그들은 작은 지진이 처리 우물로 펌핑되는 폐액으로 인해 발생했다고 결론지었습니다. 이러한 유체를 지속적으로 추가하면 모래에 압력이 가해져 표면 아래 응력 필드가 변경됩니다.

기술 요약: 다음 단계는 무엇입니까?

Ershaghi 교수: 유틸리티 또는 석유 회사가 자금을 지원하는 시범 프로젝트가 있습니다. 나는 우리가 다음 가을까지 사이트를 가질 수 있을 것으로 기대합니다. 우리는 적어도 데모용으로 이상적일 수 있는 일부 사이트를 이미 식별했습니다. 기름과 물의 상호 작용에 대한 추가 연구를 포함하여 5메가와트 발전 시설에 2,200만 달러가 소요될 수 있습니다. 우리는 또한 새로운 재료를 연구할 것입니다. 아마도 새로운 튜브를 삽입하거나 합성물, 다양한 유형의 시멘트를 사용하는 것일 것입니다. 우리 팀에는 시스템 최적화 작업을 수행할 전기 엔지니어, 지하수 연구 과학자, 수문학자, 저수지 엔지니어 및 복합 엔지니어가 포함됩니다. 또한 적절한 지질뿐만 아니라 전력망에 대한 근접성에 대한 부지 특성화를 연구할 것입니다. 또한 사이트 모니터링에 디지털 기술을 적용할 계획입니다.

이 인터뷰의 편집 버전은 Tech Briefs 2021년 2월호에 실렸습니다.