Membuat Ulang Sumur Minyak dan Gas Tergelincir sebagai Penyimpanan Energi Terbarukan – Studi USC
Profesor Iraj Ershaghi dan tim peneliti dari University of Southern California (USC) menemukan cara untuk menggunakan sumur minyak dan gas yang tidak aktif untuk penyimpanan energi — salah satu kekhawatiran utama dalam generasi energi surya dan angin.
Tech Briefs: Dari mana ide ini berasal?
Profesor Iraj Ershaghi: Masalah besar di negara ini adalah apa yang harus dilakukan dengan sejumlah besar sumur minyak dan gas yang telah mencapai akhir masa produksi dan harus ditinggalkan secara permanen. Penyisihan sumur adalah masalah besar yang dihadapi semua perusahaan minyak. Saya bicara tentang perusahaan besar — perusahaan kecil terkadang tidak mampu membayar biaya penyisihan mungkin hanya meldeklarasikan kebangkrutan dan pergi. Itu kemudian menjadi tanggung jawab negara, dan biaya penyisihan bisa sangat besar.
Ada lebih dari 37.000 Sumur di California yang saat ini tidak aktif, dan di seluruh AS, Anda berbicara lebih dari satu juta. Saya selalu memiliki beberapa minat dalam isu penyisihan sumur dan memikirkan apa yang dapat dilakukan oleh komunitas rekayasa untuk mengurangi biaya penyisihan dan melakukannya dengan lebih efektif.
Salah satu masalah adalah ketika Anda tidak dengan benar menyisihkan sumur, itu dapat menjadi sumber kebocoran gas. Tidak hanya buruk karena kontribusinya terhadap gas rumah kaca, tetapi tidak menyenangkan untuk tidak sengaja membangun rumah di atas sumur yang ditinggalkan lalu mengalami kebocoran gas ke garasi.
Saya telah meneliti pertanyaan mengapa ini terjadi. Salah satu pikiran saya adalah mungkin tidak ditinggalkan dengan benar, mungkin semen yang mereka gunakan tidak tepat. Jadi, sebagian minat saya adalah bagaimana melakukannya dengan lebih efisien dan lebih bertanggung jawab. Dalam banyak kasus, sulit untuk mengetahui lokasi sumur yang ditinggalkan karena ketika seseorang meninggalkannya, mereka memotong casing sumur kepala sehingga dapat disembunyikan.
Kemudian sebuah perusahaan mendekati kami dan mengatakan bahwa mereka tertarik untuk bekerja sama dengan USC untuk melihat apakah kami dapat membantu mereka dengan masalah signifikan yang dihadapi industri energi terbarukan — penyimpanan energi. Mereka memiliki kesan bahwa mungkin wadah minyak dan gas kosong dapat digunakan sebagai penyimpanan. Respons saya pertama: jangan pernah memikirkannya. Tidak bijaksana untuk menyuntikkan udara terkompresi, dengan oksigen, ke dalam wadah hidrokarbon.
Saya tahu bahwa McIntosh Power Company di McIntosh, Alabama, telah membor ke dalam struktur geologis besar yang dibuat dari garam, disebut dom garam. Mereka menciptakan ruang kosong dalam endapan garam ini untuk menyimpan udara terkompresi pada saat sumber energi menghasilkan daya berlebihan yang tidak dibutuhkan. Ketika mereka perlu menggunakan energi yang tersimpan, mereka melepaskan udara terkompresi untuk menjalankan turbin yang menghasilkan listrik.
Meskipun kita tidak memiliki dom garam di California, kita tahu bahwa saat Anda pergi dari permukaan hingga ke bawah zona hidrokarbon bawah permukaan, ada lapisan pasir penuh dengan air laut asin kuno. Ini adalah sedimen yang tersendiri pada waktu California ditutupi oleh air, jadi konten air dari lapisan geologis ini adalah asin. Kami mendapat ide bahwa mungkin kita dapat menggunakan pendekatan McIntosh, tetapi sebaliknya, menyimpan udara terkompresi dalam endapan pasir yang mengandung air asin ini. Salah satu anggota fakultas kami, Dr. Jha, menghitung bahwa jika Anda bisa pergi ke bawah 4000 kaki, Anda dapat memiliki cukup penyimpanan untuk menghasilkan 5 hingga 10 megawatt listrik dalam radius 2000 kaki sekitar sumur tidak aktif yang digunakan kembali sebagai sumur injeksi. Ada banyak acre-kaki lapisan di sekitar sumur di California yang dapat digunakan untuk penyimpanan dalam jumlah besar.
Peraturan California mewajibkan perusahaan utilitas, pada tanggal tertentu, untuk menyusun kapasitas penyimpanan energi besar. Perusahaan utilitas di bawah mandat legislatif ini kesulitan karena mereka menghitung pada baterai, dan sejauh ini, teknologi baterai belum cukup baik untuk memenuhi kebutuhan ini. Itulah saatnya kami menyadari bahwa solusi yang dapat dipertimbangkan di California bisa menggunakan akuifer air asin untuk menyimpan udara terkompresi.
Kami mendengar dari perusahaan minyak bahwa mereka akan menyambut penggunaan beberapa sumur mereka untuk penyimpanan energi, karena akan memberikan mereka kredit karbon negatif. Di California, Anda harus netral karbon — untuk setiap barel minyak yang diproduksi, operator harus menunjukkan bahwa mereka sedang mengurangi masalah CO2.
Kami sekarang berbicara dengan beberapa operator yang telah menunjukkan minat untuk menggunakan sumur tidak aktif mereka untuk proyek demonstrasi.
Saya dan rekan-rekannya sangat bersemangat memikir ini akan bertransformasi untuk memfasilitasi dan membawa energi terbarukan ke pasar energi California.
Tech Briefs: Di mana Anda menempatkan semen dalam hubungan dengan akuifer?
Profesor Ershaghi: Sebuah sumur biasa memiliki serangkaian pipa yang mengarah ke endapan hidrokarbon. Dalam sumur tidak aktif, plug semen ditempatkan di atas lapisan hidrokarbon. Namun, casing permukaan mungkin dipotong 50 atau 70 kaki di bawah permukaan dan diisi. Ini kadang-kadang menjadi masalah lingkungan yang memerlukan rehabilitasi yang mahal.
Di sisi lain, kami menyarankan solusi yang tidak memerlukan pemotongan kepala sumur. Minyak dan gas mungkin berada 9000 kaki secara vertikal di bawah permukaan, tetapi mungkin ada ratusan kaki pasir yang mengandung air asin, mungkin 5000 kaki di bawah permukaan. Endapan ini sebelumnya diabaikan karena air asin.
Jika sumber energi surya menghasilkan daya berlebihan, akan sempurna jika dapat disimpan untuk digunakan pada malam hari atau untuk menyediakan daya listrik saat terjadi brownout. Usul saya adalah untuk menyimpan daya berlebihan itu untuk digunakan nanti, saat dibutuhkan, dengan menggunakannya untuk menjalankan kompresor udara. Udara terkompresi kemudian akan disuntikkan ke pasir yang mengandung air asin.
Kami melakukan sesuatu yang mirip dengan bendungan air, di mana Anda menghasilkan listrik karena air melepaskan energi potensialnya dengan mengalir ke bawah melalui bendungan dan memutar turbin. Dalam skenario ini, energi kinetik udara terkompresi ditransfer ke air yang menggerakkan turbin dan kemudian generator. Ketika energi yang tersimpan dibutuhkan, udara tertekan naik ke permukaan dan menekan wadah air untuk menjalankan turbin.
Selain itu, kami menyarankan untuk menempatkan sensor di permukaan sumur yang ada sehingga kami juga akan dapat mendeteksi, secara real-time, kebocoran hidrokarbon apa pun.
Karena air memiliki kompresibilitas rendah, tekanan simpanan formasi dapat, misalnya, 3000 pound per inci persegi. Ketika Anda menghasilkan dari itu selama beberapa hari, tekanan turang sangat cepat. Ketika turun ke tingkat tertentu, katakanlah 500 psi, kompresor secara otomatis menyala untuk membawa tekanan kembali ke 3000 psi dengan menyuntikkan lebih banyak udara.
Dengan mengukur ketebalan dan luas endapan basah, kami mengetahui volume dan dapat menghitung seberapa banyak udara yang dapat disimpan untuk dikonversi menjadi daya. Perhitungan kami menunjukkan bahwa ini tidak akan menambahkan lebih dari beberapa sen ke biaya listrik.
Tech Briefs: Dapatkah Anda menjelaskan lebih banyak tentang interaksi antara udara dan air?
Profesor Ershaghi: Mirip dengan apa yang kita lakukan ketika kita menyimpan gas alam. Anda menyimpan gas alam di wadah minyak. Ketika Anda menyuntikkan gas, itu mendorong minyak kembali dan ketika Anda menghasilkan, Anda menghasilkan. Mirip dengan yo-yo yang pergi ke depan dan belakang, ke depan dan belakang: suntik lalu hasilkan.
Kami telah menghitung bahwa Anda dapat menyimpan 5 hingga 10 megawatt per sumur. Kalikan itu dengan sekitar 37.000 sumur tidak aktif di California, dan Anda memiliki gigawatt. Ini akan menjadi sumber listrik utama. Negara bagian dapat menjadi mandiri, tidak perlu lagi mengimpor bahan bakar. Ini akan menjadi situasi saling menguntungkan karena produksi minyak dan gas di California menurun, sementara permintaan listrik tidak pergi ke mana-mana.
Misalkan saya adalah operator lapangan minyak, dan saya mungkin memiliki seribu sumur. Saya mungkin tahu bahwa sebagian wadah telah kosong. Sumur tersebut tidak lagi dapat menghasilkan cukup minyak untuk membuatnya ekonomis. Mungkin ada 10 hingga 30 sumur di area yang kosong itu. Dengan itu, Anda dengan mudah membangun fasilitas 100 megawatt.
Keindahan metode ini adalah dapat digunakan di sebagian besar Amerika Serikat — tidak terbatas pada area produsen minyak.
Misalnya, di New York, sementara Anda tidak memiliki produksi minyak dan gas skala besar, Anda memiliki endapan pasir air di atas shale Devon, yang dapat digunakan. Di setiap bagian AS saat Anda membor ke bawah, Anda akan melihat akuifer air asin. Sejuta tahun yang lalu sebagian besar AS ditutupi oleh jalan air, jadi sekarang ada sedimen basah di mana-mana. Anda bisa berada di negara bagian yang belum pernah menghasilkan setetes minyak atau gas, tetapi tetap akan memiliki lapisan basah di bawah tanah. Survei geologi AS memiliki peta yang menunjukkan lokasi endapan pasir basah di bawah tanah.
Tech Briefs: Anda menyebutkan bahwa di California pasir ini mengandung air asin; apakah harus asin agar ini bekerja?
Profesor Ershaghi: Dengan keterbatasan air tawar yang kami hadapi di banyak bagian AS, tidak akan menjadi ide yang baik untuk menggunakan sumber air tawar bawah tanah untuk tujuan ini. Namun, jika kita pergi cukup dalam, air apa pun yang kita temukan kemungkinan akan asin.
Penjelasan memerlukan pelajaran geologi singkat. Jika Anda memplot suhu Bumi selama 300 juta tahun terakhir, pada dasarnya, itu menunjukkan bahwa suhu bumi terkadang sangat tinggi dan terkadang sangat rendah. Ketika sebagian besar permukaan bumi ditutupi air, ia melalui periode membeku dan meleleh. Ini secara bertahap merusak area formasi batuan, dan bahan detrital menumpuk.
Sedimen yang terbentuk dari erosi batuan menjadi tergenangi air laut dengan kenaikan samudera. Itulah sebabnya endapan air yang terdalam adalah asin, sementara air tawar yang sangat diperlukan di tempat seperti California jauh lebih dangkal dan biasanya diisi ulang dengan air hujan.
Seperti yang Anda tahu, telah ada upaya selama dua dekade terakhir untuk tangkapan dan penyimpanan karbon. Ide adalah jika Anda memiliki terlalu banyak karbon dioksida, Anda hanya menyimpannya dalam formasi geologis bawah tanah. Namun, telah ada kekhawatiran tentang kebocoran karbon dioksida. Jadi, dalam konsep penyimpanan energi yang kami usulkan, kami juga mendapat manfaat dari pengalaman itu, karena ada banyak penelitian dan model mengenai penyimpanan CO2 bawah tanah. Situasi kami jauh lebih sederhana karena jika Anda menyimpan udara bawah tanah, bahkan jika bocor, siapa yang peduli — Anda hanya menambahkan lebih banyak udara ke udara, tidak ada karbon dioksida, tidak ada bahan bakar beracun, itu hanya udara.
Saat ini, alasan orang tidak membangun energi terbarukan secepat yang diperlukan adalah karena ekonomi tidak terlihat baik. Fakta adalah, membangun fasilitas ini memakan banyak uang, dan pada titik ini Anda tidak menggunakan setiap kilowatt yang dihasilkan, sebagian besar daya ini bisa saja terbuang sia-sia tanpa penyimpanan skala besar.
Jadi, jika Anda menemukan cara untuk menyimpan listrik dan kemudian menggunakannya saat Anda membutuhkannya, Anda akan memecahkan masalah ekonomi besar. Itu akan membuat ekspansi sumber energi terbarukan jauh lebih dapat diterima oleh investor dan masyarakat luas.
Tech Briefs: Apakah Anda basically mengatakan bahwa Anda menggunakan teknologi yang ada tetapi menerapkannya dengan cara yang lebih ekonomis dan berguna?
Profesor Ershaghi: Saya pikir kontribusi kami lebih pada hal berikut. Nomor satu, itu adalah teknologi yang terbukti, bahwa orang telah menyimpan udara di dom garam. Kontribusi pertama kami adalah Anda tidak memerlukan dom garam — asalkan Anda memiliki akuifer air asin, itu bisa melakukan pekerjaan. Nomor dua, kesan adalah ini mahal karena Anda harus membor sumur. Tetapi kami telah menunjukkan bahwa kita dapat menggunakan sumur yang ada yang ditetapkan untuk penyisihan. Itulah ide-nya. Jadi pada dasarnya gunakan sumur yang tidak aktif, gunakan akuifer air asin, dan luaskan teknologi agar tersedia secara luas, sambil mengurangi tanggung jawab negara dan masyarakat untuk biaya penyisihan sumur.
Tech Briefs: Apa dengan energi yang hilang dalam menjalankan kompresor?
Profesor Ershaghi: Misalkan Anda menggunakan sumber surya seratus megawatt. Saat Anda mengambil seratus megawatt itu dan menggunakannya untuk memproduksi udara terkompresi, jika Anda melihat keseimbangan energi, tentu saja, Anda kehilangan energi. Jadi, Anda mungkin hanya memiliki pecahan dari megawatt yang tersedia.
Tetapi itulah alam. Konsep entropi adalah energi selalu hilang dalam setiap proses di mana pekerja dilakukan. Itu adalah area penelitian: bagaimana meminimalkan kerugian.
Jadi, setelah 100 megawatt dikonversi menjadi udara terkompresi dan melalui proses penyimpanan dan dikembalikan, Anda mungkin hanya memiliki 60 megawatt yang dapat digunakan. Tetapi lebih baik dari 100 menjadi 60 daripada tidak menghasilkan daya berguna sama sekali.
Tech Briefs: Dapatkah Anda secara singkat menjelaskan bagaimana operasi keseluruhan akan bekerja.
Profesor Ershaghi: Di fasilitas Alabama, untuk perbandingan, mereka menggunakan udara kembali untuk memutar kompresor. Ketika udara kembali, harus dipanaskan untuk mengembang sehingga mereka dapat menggunakannya. Jika Anda melakukan itu, Anda perlu membakar gas alam untuk menghasilkan panas. Kami tidak perlu itu karena kami menggunakan kompresor untuk memberikan tekanan pada air. Itulah tekanan air yang mengoperasikan turbin.
Tech Briefs: Bagaimana udara terkompresi mentransfer energinya ke turbin?
Profesor Ershaghi: Udara terkompresi yang kembali naik ke permukaan saat dibutuhkan, dan menekan air dalam wadah vertikal tekanan tinggi. Tekan air mengaktifkan dan menjalankan turbin. Energi kinetik untuk menghasilkan listrik datang dari tekanan udara terkompresi.
Tech Briefs: Apa yang akan menjadi insentif ekonomi untuk membangun sistem ini?
Profesor Ershaghi: Pertama-tama, kita tidak perlu membor sumur dan melalui proses perizinan. Di California, sebagian besar tanah minyak dan gas adalah tanah fee. Jika saya memiliki hak milik rumah di tanah fee, itu berarti saya memiliki segalanya dari permukaan hingga ke tengah bumi. Jika ternyata ada bidang minyak di bawah tanah saya, saya dapat menyewa hak saya untuk itu kepada perusahaan minyak. Ini biasanya dalam bentuk persentase dari pendapatan dari apa yang diproduksi setiap bulan.
Tanah yang dimiliki oleh sebagian besar perusahaan minyak adalah tanah fee. Jadi, jika saya adalah operator, yang memiliki sejumlah sumur, beberapa dari yang tidak ekonomis, ini bisa menjadi sumber pendapatan. Jika saya mengkonversi sumur yang ditinggalkan menjadi penyimpanan, saya dapat menagih perusahaan utilitas untuk hak menggunakan sumur tersebut. Operator kemudian akan memiliki sumber pendapatan dari sumur yang tidak menghasilkan. Sementara itu, operator menghilangkan atau menunda biaya penyisihan.
Ini juga bisa menjadi sumber pendapatan baru untuk pemilik tanah: menyewa hak bawah tanah mereka kepada operator penyimpanan.
Perusahaan utilitas akan menemukannya berkelayakan karena mereka dapat mengurangi jumlah minyak dan gas yang mereka butuhkan untuk menghasilkan daya.
Tech Briefs: Apakah bisa terjadi gangguan di bawah tanah, seperti yang terjadi dengan fracking?
Profesor Ershaghi: Saya senang Anda bertanya itu. Ada laporan dari National Resource Council yang merangkum penelitian tentang isu apakah fracking menyebabkan gempa bumi. Kesimpulan mereka adalah tidak ada bukti bahwa praktik fracking sebenarnya menyebabkan gempa. Mereka menyimpulkan gempa kecil disebabkan oleh cairan limbah yang digunakan yang dipompa ke sumur pembuangan. Penambahan cairan ini secara berkelanjutan menekan pasir, sehingga mengubah bidang stres bawah tanah.
Tech Briefs: Apa langkah selanjutnya Anda?
Profesor Ershaghi: Kami akan memiliki proyek demonstrasi, yang akan didanai oleh perusahaan utilitas atau perusahaan minyak. Saya harap kami dapat memiliki situs pada musim gugur depan. Kami telah mengidentifikasi beberapa situs yang ideal, setidaknya untuk demonstrasi. Ini mungkin memakan biaya $22 juta untuk fasilitas generasi 5 megawatt, termasuk penelitian lebih lanjut tentang interaksi minyak dan air. Kami juga akan mempelajari bahan baru, mungkin memasang tabung baru, mungkin menggunakan komposit, semen yang berbeda. Tim kami mencakup insinyur listrik, ilmuwan penelitian air tanah, ahli hidrologi, insinyur wadah, dan insinyur komposit yang akan bekerja untuk mengoptimalkan sistem. Selain itu, kami akan mempelajari karakterisasi situs, tidak hanya untuk geologi yang tepat tetapi juga untuk dekatnya dengan jaringan listrik. Kami juga berniat untuk menerapkan teknologi digital untuk pemantauan situs.
Versi diedit dari wawancara ini muncul dalam edisi Februari 2021 majalah Tech Briefs.
