유휴 유정·가스정을 재생에너지 저장소로 재탄생 - USC 연구

남캘리포니아 대학교(USC)의 Iraj Ershaghi 교수와 연구팀은 태양광과 풍력 발전의 주요 과제 중 하나인 에너지 저장 문제 해결을 위해 유휴 유정과 가스정을 활용하는 방법을 발견했습니다.

Tech Briefs: 이 아이디어는 어디서 나왔습니까?

Iraj Ershaghi 교수:

이 나라의 주요 문제 중 하나는 생산 수명을 다해 영구적으로 폐기해야 하는 수많은 유정과 가스정을 어떻게 처리할 것인가입니다. 유정 폐기는 모든 석유 회사들이 직면한 주요 문제입니다. 메이저 기업들뿐만 아니라 때로는 폐기 비용을 감당할 수 없는 중소 기업들은 파산을 선언하고 떠나버리기도 합니다. 그러면 폐기 책임은 주 정부로 넘어가며, 폐기 비용은 막대할 수 있습니다.

캘리포니아에만 현재 37,000개 이상의 유휴 유정이 있고, 미국 전역으로는 100만 개가 넘습니다. 저는 항상 유정 폐기 문제에 관심이 있었고, 엔지니어링 커뮤니티가 폐기 비용을 줄이고 더 효과적으로 수행할 수 있는 방법을 고민해왔습니다.

한 가지 문제는 유정을 부적절하게 폐기하면 가스 누출원이 될 수 있다는 것입니다. 이는 온실가스 배출에 기여할 뿐만 아니라, 폐기된 유정 위에 모르고 집을 지었다가 차고로 가스가 새어 나오는 경험을 하게 되는 등 좋지 않은 결과를 초래합니다.

왜 이런 일이 일어나는지 조사해왔습니다. 제 생각 중 하나는 제대로 폐기되지 않았거나, 사용된 시멘트가 적절하지 않았을 수 있다는 것입니다. 그래서 더 효율적이고 책임감 있게 폐기하는 방법에 관심이 있었습니다. 많은 경우 폐기된 유정을 찾는 것조차 어렵습니다. 누군가 유정을 폐기할 때 웰헤드 케이싱을 잘라내 숨길 수 있기 때문입니다.

그러던 중 한 회사가 USC에 접근하여 재생에너지 산업이 직면한 중요한 문제인 에너지 저장 문제 해결을 돕고 싶다고 했습니다. 그들은 빈 유정 및 가스 저류층이 저장소로 사용될 수 있을 것이라는 인상을 받았습니다. 제 첫 반응은 '생각조차 하지 마라'였습니다. 산소가 포함된 압축 공기를 탄화수소 저류층에 주입하는 것은 신중하지 못합니다.

알라바마주 매킨토시에 있는 McIntosh Power Company가 소금으로 이루어진 거대한 지질 구조인 소금 돔에 시추하여 구멍을 뚫어 압축 공기를 저장했다는 것을 알고 있었습니다. 에너지가 과잉 생산되어 필요하지 않을 때 압축 공기를 저장했다가, 저장된 에너지가 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

캘리포니아에는 소금 돔이 없지만, 지표면부터 지하 탄화수소 지대까지 내려가는 과정에서 고대의 염분이 있는 바닷물로 가득 찬 사암층이 있다는 것을 알고 있습니다. 이들은 캘리포니아가 물로 덮여 있던 시기에 퇴적된 퇴적물로, 이 지질층의 수분 함량은 염분입니다. 우리는 McIntosh의 접근 방식을 사용하되, 소금물 함유 사암 퇴적층에 압축 공기를 저장할 수 있다는 아이디어를 얻었습니다. 우리 교수진 중 한 분인 Dr. Jha가 계산한 바에 따르면, 4,000피트(약 1,219미터) 아래까지 내려가면 유휴 유정을 주입정으로 재활용하여 반경 2,000피트(약 610미터) 내에서 5~10메가와트의 전기를 생산할 수 있는 충분한 저장 용량을 가질 수 있습니다. 캘리포니아의 유정 주변에는 많은 에이커-피트 단위의 층이 있어 대량 저장에 활용할 수 있습니다.

캘리포니아 규제는 특정 기한까지 유틸리티 기업이 대규모 에너지 저장 용량을 마련하도록 요구합니다. 이 입법적 의무 하에 유틸리티 기업들은 배터리 기술에 의존하고 있었지만, 현재 배터리 기술로는 이 수요를 충족하기에 아직 충분하지 않습니다. 그때 캘리포니아에서 염수 대수층을 이용해 압축 공기를 저장하는 것이 타당한 해결책이 될 수 있다는 것을 깨달았습니다.

석유 회사들로부터 일부 유정을 에너지 저장에 활용하는 것을 환영한다는 이야기를 들었습니다. 이는 그들에게 탄소 네거티브 크레딧을 주기 때문입니다. 캘리포니아에서는 탄소 중립을 달성해야 합니다. 생산하는 원유 1배럴당 운영자들은 어떻게든 CO₂ 문제를 완화하고 있음을 보여야 합니다.

현재 일부 운영자들과 그들의 유휴 유정을 시범 프로젝트에 활용하는 방안을 논의하고 있습니다.

저와 동료들은 이것이 캘리포니아 에너지 시장에 재생에너지를 촉진하고 도입하는 데 혁신적일 것이라 생각하며 매우 흥분하고 있습니다.

Tech Briefs: 대수층과 관련하여 시멘트를 어디에 배치합니까?

Ershaghi 교수:

일반적인 유정은 탄화수소 매장층까지 이어지는 일련의 파이프로 구성됩니다. 유휴 유정에서는 탄화수소층 위에 시멘트 플러그가 설치됩니다. 그러나 표면 케이싱이 지표면 아래 50~70피트에서 잘려나가고 메워질 수 있습니다. 이는 때때로 비용이 많이 드는 복원이 필요한 환경적 우려가 될 수 있습니다.

반면 우리는 웰헤드를 자르지 않아도 되는 해결책을 제안합니다. 석유와 가스는 수직으로 9,000피트(약 2,743미터) 아래에 있을 수 있지만, 지표면 아래 5,000피트(약 1,524미터)쯤에 수백 피트 두께의 염수를 함유한 사암층이 있을 수 있습니다. 이 퇴적층은 염분 때문에 이전에는 무시되었습니다.

태양광 에너지원이 과잉 전력을 생산하면, 이를 밤에 사용하거나 정전 시 전력을 공급하기 위해 저장할 수 있다면 완벽할 것입니다. 제 제안은 그 과잉 전력을 공기 압축기 가동에 사용하여 나중에 필요할 때 사용하도록 저장하는 것입니다. 압축 공기는 염수를 함유한 사암층에 주입됩니다.

우리는 물 댐과 비슷한 일을 합니다. 물이 댐 위로 흘러내리며 위치 에너지를 방출하여 터빈을 돌리고 전기를 만듭니다. 이 시나리오에서는 압축 공기의 운동 에너지가 물을 활성화하여 터빈과 이후 발전기에 전달됩니다. 저장된 에너지가 필요할 때 압축 공기가 지표면으로 상승하여 고압 수직 용기의 물을 가압해 터빈을 돌립니다.

또한 기존 유정 지표면에 센서를 설치하여 탄화수소 누출을 실시간으로 감지할 수 있도록 제안합니다.

물은 압축성이 낮아 지층 압력이 예를 들어 3,000psi(평방인치당 파운드)일 수 있습니다. 며칠간 생산하면 압력이 매우 빠르게 떨어집니다. 500psi 같은 특정 수준으로 떨어지면 압축기가 자동으로 가동되어 더 많은 공기를 주입하여 압력을 3,000psi로 복구합니다.

습지 퇴적층의 두께와 면적을 측정하여 부피를 알면 저장할 수 있는 공기량과 이를 전력으로 변환할 수 있는 양을 계산할 수 있습니다. 계산에 따르면 이는 전기 비용에 몇 페니 이상을 추가하지 않습니다.

Tech Briefs: 공기와 물 사이의 작용에 대해 좀 더 설명해 주시겠습니까?

Ershaghi 교수:

우리가 천연가스를 저장할 때 하는 것과 비슷합니다. 천연가스를 유정 저류층에 저장합니다. 가스를 주입하면 기름을 밀어내고, 생산할 때는 생산합니다. 요요가 앞뒤로 왔다 갔다 하는 것과 같습니다. 주입하고 생산하고, 주입하고 생산하고.

유정 하나당 5~10메가와트를 저장할 수 있다고 계산했습니다. 캘리포니아의 약 37,000개 유휴 유정에 곱하면 기가와트 단위가 됩니다. 이는 주요 전력원이 될 것입니다. 캘리포니아주는 자급자족할 수 있게 되어 더 이상 연료를 수입하지 않아도 됩니다. 캘리포니아의 석유 및 가스 생산은 감소하는 반면 전력 수요는 줄어들지 않기 때문에 윈윈(win-win)입니다.

예를 들어 제가 천 개의 유정을 가진 유전 운영자라고 가정해 보겠습니다. 저류층의 특정 부분이 고갈되어 그 유정들이 더 이상 경제적으로 충분한 석유를 생산하지 못할 수 있습니다. 그 고갈 지역에 10~30개의 유정이 있을 수 있습니다. 그것들로 쉽게 100메가와트 시설을 구축할 수 있습니다.

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

예를 들어 뉴욕에서는 대규모 석유 및 가스 생산이 없지만, 데본기 셰일 위에 워터 샌드 퇴적층이 있어 이를 활용할 수 있습니다. 미국 어디에서든 시추를 해보면 염수 대수층을 볼 수 있습니다. 100만 년 전 미국 대부분이 수로로 덮여 있었으므로 현재 전국에 젖은 퇴적층이 지하에 있습니다. 석유나 가스를 한 방울도 생산하지 않은 주라도 지하에 이 젖은 층이 있습니다. 미국 지질조사국(USGS) 지도에 지하 워터 샌드 퇴적층 위치가 표시되어 있습니다.

Tech Briefs: 캘리포니아에서 이 모래층에 염수가 포함되어 있다고 하셨는데, 이것이 염분이어야 작동합니까?

Ershaghi 교수:

미국 많은 지역에서 직면한 담수 부족 상황을 고려할 때, 지하 담수 자원을 이 목적으로 사용하는 것은 좋은 생각이 아닙니다. 그러나 충분히 깊이 내려가면 발견되는 물은 염분일 가능성이 높습니다.

이를 설명하려면 간단한 지질학 강의가 필요합니다. 지난 3억 년간 지구의 온도를 그리면, 지구 온도가 때로는 매우 높았고 때로는 매우 낮았음을 보여줍니다. 지구 표면의 많은 부분이 물로 덮여 있었을 때, 동결과 해동의 기간을 거쳤습니다. 이는 암석 형성을 점차 분해했고, 쇄설물질이 축적되었습니다.

암석 침식으로 형성된 퇴적물은 해수면 상승과 함께 바닷물로 포화되었습니다. 그래서 가장 깊은 퇴적층의 물은 염분인 반면, 캘리포니아 같은 곳에서 절실히 필요한 담수는 훨씬 얕고 보통 빗물로 보충됩니다.

지난 20년간 탄소 포집 및 격리 노력이 있어왔습니다. 이산화탄소가 너무 많으면 지하 지질 형성에 저장하자는 아이디어였습니다. 하지만 이산화탄소 누출에 대한 우려가 있었습니다. 그래서 우리의 제안된 에너지 저장 개념에서는 그 경험을 활용하고 있습니다. 지하 CO₂ 격리에 관한 많은 연구와 모델링이 있기 때문입니다. 우리의 상황은 훨씬 단순합니다. 공기를 지하에 저장하더라도 누출되더라도 상관없습니다. 공기에 공기가 더해지는 것뿐이니까요. 이산화탄소도, 독성 연료도 없고, 그냥 공기입니다.

현재 사람들이 필요한 만큼 빠르게 재생에너지를 구축하지 않는 이유는 경제성이 좋지 않기 때문입니다. 사실 이러한 시설을 짓는 데 많은 비용이 들며, 현재 생성되는 모든 킬로와트를 사용하지 못하고 있습니다. 대규모 저장장치 없이 상당한 양의 전력이 낭비될 수 있습니다.

그래서 전기를 저장했다가 필요할 때 사용할 방법을 찾으면 주요 경제적 문제를 해결할 수 있습니다. 그러면 재생에너지원의 확장이 투자자와 사회 전반에 훨씬 더 받아들여지기 쉬워질 것입니다.

Tech Briefs: 기본적으로 기존 기술을 사용하지만 더 경제적이고 유용한 방식으로 적용하고 있다는 말씀입니까?

Ershaghi 교수:

우리의 기여는 다음과 같습니다. 첫째, 소금 돔에 공기를 저장하는 것은 검증된 기술입니다. 우리의 첫 번째 기여는 소금 돔이 필요 없다는 것입니다. 염수 대수층만 있으면 작업을 수행할 수 있습니다. 둘째, 유정을 시추해야 하므로 비용이 많이 든다는 인상이 있습니다. 하지만 우리는 폐기 예정인 기존 유정을 사용할 수 있음을 보였습니다. 그것이 핵심 아이디어입니다. 즉, 유휴 유정과 염수 대수층을 활용하고, 기술을 널리 적용 가능하게 확장하면서 주와 대중의 유정 폐기 비용 부담을 줄이는 것입니다.

Tech Briefs: 압축기 가동에 손실되는 에너지는 어떻습니까?

Ershaghi 교수:

100메가와트 태양광원을 사용한다고 가정해 보겠습니다. 그 100메가와트를 압축 공기 생산에 사용하기까지 에너지 균형을 보면, 당연히 에너지가 손실됩니다. 그래서 사용 가능한 메가와트의 일부만 남을 수 있습니다.

하지만 그건 자연의 법칙입니다. 엔트로피 개념은 일이 수행되는 모든 과정에서 에너지가 항상 손실된다는 것입니다. 이는 손실을 최소화하는 방법에 대한 연구 영역입니다.

그래서 100메가와트가 압축 공기로 변환되어 저장 과정을 거치고 다시 돌아오면, 60메가와트만 사용 가능할 수 있습니다. 하지만 전혀 유용한 전력을 생산하지 못하는 것보다 100에서 60으로 가는 것이 낫습니다.

Tech Briefs: 전체 작동 방식을 간단히 설명해 주시겠습니까?

Ershaghi 교수:

알라바마 시설의 경우 비교를 위해 복귀 공기를 압축기를 돌리는 데 사용합니다. 공기가 돌아오면 팽창시키기 위해 가열해야 하므로 천연가스를 태워 열을 만듭니다. 우리는 그럴 필요가 없습니다. 압축기를 사용해 물에 압력을 가하기 때문입니다. 물 압력이 터빈을 작동시킵니다.

Tech Briefs: 압축 공기가 터빈에 에너지를 어떻게 전달합니까?

Ershaghi 교수:

필요할 때 복귀한 압축 공기가 지표면으로 올라와 고압 수직 용기의 물을 가압합니다. 물 압력이 터빈을 활성화하고 돌립니다. 전기를 생성하는 운동 에너지는 압축 공기의 압력에서 나옵니다.

Tech Briefs: 이러한 시스템 구축을 위한 경제적 인센티브는 무엇입니까?

Ershaghi 교수:

첫째, 유정을 시추하고 허가 과정을 거칠 필요가 없습니다. 캘리포니아에서는 대부분의 석유 및 가스 토지가 수수료 토지(fee lands)입니다. 수수료 토지에 집 소유권이 있다면 지표면부터 지구 중심까지 모든 것을 소유한다는 뜻입니다. 내 땅 아래 유전이 있다면 석유 회사에 권리를 임대할 수 있습니다. 이는 일반적으로 매달 생산되는 것의 일정 비율 소득 형태로 이루어집니다.

대부분의 석유 회사가 소유한 토지는 수수료 토지입니다. 그래서 제가 운영자이고, 경제적으로 비생산적인 일부 유정을 소유하고 있다면 이것이 소득원이 될 수 있습니다. 그 폐기된 유정을 저장소로 전환하면 유틸리티 기업에 사용권을 청구할 수 있습니다. 운영자는 비생산 유정에서 소득을 얻게 됩니다. 동시에 운영자는 폐기 비용을 없애거나 미룰 수 있습니다.

이것은 토지 소유자에게도 새로운 소득원이 될 수 있습니다. 지하 권리를 저장 운영자에게 임대하는 것입니다.

유틸리티 기업은 전력 생산에 필요한 석유와 가스 양을 줄일 수 있어 가치가 있을 것입니다.

Tech Briefs: 프래킹(수압 파쇄)에서 발생한 것처럼 지하 교란이 있을 수 있습니까?

Ershaghi 교수:

그 질문을 해주셔서 기쁩니다. 국립자원위원회(National Resource Council)에서 프래킹이 지진을 일으켰는지에 대한 연구를 요약한 보고서가 있었습니다. 그들의 결론은 실제 프래킹 관행이 지진을 일으켰다는 증거가 없다는 것이었습니다. 그들은 폐수액이 폐기 유정에 펌핑되어 미세 지진이 발생했다고 결론지었습니다. 지속적으로 이러한 유체를 주입하면 모래에 압력을 가해 지하 응력장을 변경합니다.

Tech Briefs: 다음 단계는 무엇입니까?

Ershaghi 교수:

유틸리티 기업이나 석유 회사가 자금을 지원하는 시범 프로젝트를 진행할 것입니다. 내년 가을까지 시범 현장을 확보할 수 있을 것으로 기대합니다. 시범에 이상적인 몇몇 현장을 이미 확인했습니다. 5메가와트 발전 시설을 위한 비용은 석유와 물의 상호작용에 대한 추가 연구를 포함해 약 2,200만 달러가 들 수 있습니다. 또한 새로운 재료 연구, 새로운 튜빙 설치, 복합재, 다양한 시멘트 종류 사용 등을 연구할 것입니다. 우리 팀에는 전기 엔지니어, 지하수 연구 과학자, 수문학자, 저류층 엔지니어, 복합재 엔지니어가 포함되어 시스템 최적화에 힘쓸 것입니다. 또한 적절한 지질뿐만 아니라 전력망 근접성 측면에서도 현장 특성화를 연구할 예정입니다. 현장 모니터링을 위해 디지털 기술도 적용할 계획입니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 2021년 2월호 Tech Briefs에 게재되었습니다.