T&J:Sumur Minyak dan Gas untuk Penyimpanan Energi
Profesor Iraj Ershaghi dan tim peneliti di University of Southern California (USC) menemukan cara untuk menggunakan sumur minyak dan gas yang tidak digunakan untuk penyimpanan energi — salah satu perhatian utama untuk pembangkit energi matahari dan angin.
Ringkasan Teknologi: Dari mana ide ini berasal?
Profesor Iraj Ershaghi: Masalah utama di negeri ini adalah apa yang harus dilakukan dengan banyaknya sumur minyak dan gas yang telah mencapai akhir masa produktifnya dan harus ditinggalkan secara permanen. Pengabaian sumur adalah masalah utama yang dihadapi semua perusahaan minyak. Saya berbicara tentang perusahaan besar — perusahaan berukuran lebih kecil yang terkadang tidak mampu membayar biaya pengabaian mungkin akan menyatakan kebangkrutan dan pergi. Ini kemudian menjadi tanggung jawab negara, dan biaya pengabaian bisa sangat besar.
Ada lebih dari 37.000 Sumur di California yang saat ini tidak digunakan, dan di seluruh AS, Anda berbicara tentang lebih dari satu juta. Saya selalu tertarik dengan masalah pengabaian sumur dan memikirkan apa yang dapat dilakukan komunitas teknik untuk mengurangi biaya pengabaian dan melakukannya dengan lebih efektif.
Satu masalah adalah ketika Anda membuang sumur dengan tidak benar, itu bisa menjadi sumber kebocoran gas. Ini tidak hanya buruk karena kontribusinya terhadap gas rumah kaca, tetapi tidak menyenangkan untuk tanpa sadar membangun rumah di atas sumur yang ditinggalkan dan kemudian mengalami kebocoran gas ke garasi.
Saya telah melihat ke dalam pertanyaan mengapa ini terjadi. Salah satu pemikiran saya mungkin tidak terbengkalai dengan baik, mungkin semen yang mereka gunakan tidak layak. Jadi, sebagian dari minat saya adalah bagaimana melakukannya dengan lebih efisien dan lebih bertanggung jawab. Dalam banyak kasus, bahkan sulit untuk menemukan sumur yang terbengkalai karena ketika seseorang meninggalkannya, mereka memotong selubung kepala sumur sehingga dapat disembunyikan.
Kemudian sebuah perusahaan mendekati kami dan mengatakan bahwa mereka akan 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 reservoir minyak dan gas yang kosong dapat digunakan sebagai penyimpanan. Tanggapan pertama saya adalah:bahkan tidak memikirkannya. Tidaklah bijaksana untuk menyuntikkan udara bertekanan, dengan oksigen, ke dalam reservoir hidrokarbon.
Saya menyadari bahwa McIntosh Power Company di McIntosh, Alabama, telah mengebor struktur geologis besar yang terbuat dari garam, yang disebut kubah garam. Mereka menciptakan rongga di deposit garam ini untuk menyimpan udara terkompresi pada saat sumber energi menghasilkan daya berlebih yang tidak dibutuhkan. Saat mereka perlu menggunakan energi yang tersimpan, mereka melepaskan udara terkompresi untuk menjalankan turbin yang menghasilkan listrik.
Meskipun kami tidak memiliki kubah garam di California, kami tahu bahwa saat Anda pergi dari permukaan ke zona hidrokarbon bawah permukaan, ada lapisan batu pasir yang penuh dengan air laut asin kuno. Ini adalah sedimen yang diendapkan pada saat California tertutup oleh air, sehingga kandungan air dari lapisan geologi ini adalah asin. Kami mendapat ide bahwa mungkin kami 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 turun di bawah 4000 kaki, Anda bisa memiliki penyimpanan yang cukup untuk menghasilkan 5 hingga 10 megawatt listrik dalam radius 2000 kaki di sekitar sumur kosong yang digunakan kembali sebagai sumur injeksi. Ada banyak lapisan sepanjang satu hektar di sekitar sumur di California yang dapat digunakan untuk penyimpanan dalam jumlah besar.
Peraturan California mengharuskan utilitas, pada tanggal tertentu, untuk menghasilkan kapasitas penyimpanan energi yang besar. Utilitas di bawah mandat legislatif ini sedang berjuang karena mereka mengandalkan baterai, dan sampai sekarang, teknologi baterai belum cukup baik untuk memenuhi kebutuhan ini. Saat itulah kami sadar bahwa solusi yang masuk akal di California adalah menggunakan akuifer salin untuk menyimpan udara terkompresi.
Kami mendengar dari perusahaan minyak bahwa mereka akan menyambut baik penggunaan beberapa sumur mereka untuk penyimpanan energi, karena itu akan memberi mereka kredit negatif karbon. Di California, Anda harus netral karbon — untuk setiap barel minyak yang mereka produksi, operator harus menunjukkan bahwa mereka mengurangi CO2. masalah.
Kami sekarang berbicara dengan beberapa operator yang telah menunjukkan minat untuk menggunakan sumur menganggur mereka untuk proyek percontohan.
Rekan-rekan saya dan saya sangat bersemangat untuk berpikir ini akan menjadi transformasional untuk memfasilitasi dan membawa energi terbarukan ke pasar energi California.
Ringkasan Teknologi: Di mana Anda meletakkan semen dalam kaitannya dengan akuifer?
Profesor Ershaghi: Sumur tipikal memiliki serangkaian pipa yang mengarah ke endapan hidrokarbon. Dalam sumur yang menganggur, sumbat semen ditempatkan di atas lapisan hidrokarbon. Namun, selubung permukaan mungkin dipotong 50 atau 70 kaki di bawah permukaan dan diisi. Hal ini terkadang dapat menjadi masalah lingkungan yang memerlukan perbaikan yang mahal.
Di sisi lain, kami menyarankan solusi yang tidak memerlukan pemotongan kepala sumur. Minyak dan gas bisa berada 9000 kaki secara vertikal di bawah permukaan, tetapi mungkin ada ratusan kaki batu pasir yang mengandung air asin, mungkin 5.000 kaki di bawah permukaan. Deposit ini sebelumnya telah diabaikan karena air asin.
Jika suatu sumber energi surya menghasilkan kelebihan daya, akan lebih baik jika dapat disimpan untuk digunakan pada malam hari atau untuk menyuplai tenaga listrik ketika terjadi pemadaman listrik. Usulan saya adalah menyimpan kelebihan daya itu untuk digunakan nanti, saat dibutuhkan, dengan menggunakannya untuk menjalankan kompresor udara. Udara terkompresi kemudian akan disuntikkan ke dalam batu 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 dari udara terkompresi ditransfer ke air yang memberi energi pada turbin dan selanjutnya generator. Ketika energi yang tersimpan dibutuhkan, udara bertekanan naik ke permukaan dan menekan wadah air untuk menjalankan turbin.
Selain itu, kami mengusulkan untuk menempatkan sensor di permukaan sumur yang ada sehingga kami juga dapat mendeteksi kebocoran hidrokarbon secara real time.
Karena air memiliki kompresibilitas rendah, tekanan pembentukannya yang tersimpan bisa menjadi, misalnya, 3000 pon per inci persegi. Ketika Anda menghasilkan dari itu selama beberapa hari, tekanan turun sangat cepat. Ketika turun ke level tertentu, katakanlah 500 psi, kompresor secara otomatis mulai bekerja untuk mengembalikan tekanan ke 3000 psi dengan menyuntikkan lebih banyak udara.
Dengan mengukur ketebalan dan luas endapan lahan basah, kita mengetahui volumenya dan dapat menghitung berapa banyak udara yang dapat disimpan untuk diubah menjadi daya. Perhitungan kami menunjukkan bahwa ini tidak akan menambah lebih dari beberapa sen, untuk biaya listrik.
Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda menjelaskan lebih banyak tentang aksi antara udara dan air?
Profesor Ershaghi: Ini mirip dengan apa yang kita lakukan ketika kita menyimpan gas alam. Anda menyimpan gas alam di reservoir minyak. Ketika Anda menyuntikkan gas, itu mendorong minyak kembali dan ketika Anda berproduksi, Anda menghasilkan. Ini seperti a, yo-yo bolak-balik, bolak-balik:menyuntikkan lalu menghasilkan.
Kami telah menghitung bahwa Anda dapat menyimpan 5 hingga 10 megawatt per sumur. Kalikan dengan sekitar 37.000 sumur menganggur di California, dan Anda memiliki gigawatt. Ini akan menjadi sumber utama listrik. Negara bisa mandiri, tidak lagi harus mengimpor BBM. Ini akan menjadi win-win karena produksi minyak dan gas di California turun, sementara permintaan listrik tidak kemana-mana.
Katakanlah saya seorang operator ladang minyak, dan saya mungkin memiliki seribu sumur. Saya mungkin tahu bahwa bagian tertentu dari reservoir telah habis. Sumur-sumur itu tidak lagi dapat menghasilkan minyak yang cukup untuk membuatnya layak secara ekonomi. Mungkin ada 10 hingga 30 sumur di area yang terkuras itu. Dengan itu, Anda dengan mudah membangun fasilitas 100 megawatt.
Kelebihan metode ini adalah dapat digunakan di sebagian besar Amerika Serikat — tidak terbatas pada daerah penghasil minyak.
Misalnya, di New York, sementara Anda tidak memiliki produksi minyak dan gas skala besar, Anda memiliki endapan pasir air di atas serpih Devonian, yang dapat digunakan. Di bagian mana pun di AS saat Anda menelusuri, Anda akan melihat akuifer asin. Satu juta tahun yang lalu sebagian besar AS ditutupi oleh saluran air, jadi sekarang ada sedimen basah di mana-mana. Anda bisa saja berada dalam keadaan yang tidak pernah menghasilkan setetes minyak atau gas, tetapi masih ada lapisan basah ini di bawah tanah. Survei geologi AS memiliki peta yang menunjukkan lokasi endapan pasir basah bawah tanah.
Ringkasan Teknologi: Anda menyebutkan bahwa di California pasir ini mengandung air asin; apakah harus, garam agar ini berfungsi?
Profesor Ershaghi: Dengan kekurangan air tawar yang kita hadapi di banyak bagian AS, bukanlah ide yang baik untuk menggunakan sumber daya air tawar bawah tanah untuk tujuan ini. Namun, jika kita menyelam cukup dalam, air apa pun yang kita temukan kemungkinan besar asin.
Penjelasannya membutuhkan pelajaran singkat dalam geologi. Jika Anda memplot suhu bumi selama 300 juta tahun terakhir, pada dasarnya, itu menunjukkan bahwa suhu bumi kadang-kadang sangat tinggi dan kadang-kadang sangat rendah. Ketika sebagian besar permukaan bumi tertutup air, ia mengalami periode pembekuan dan pencairan. Ini secara bertahap memecah area formasi batuan, dan material detrital terakumulasi.
Sedimen yang terbentuk oleh erosi batuan menjadi jenuh dengan air laut dengan naiknya lautan. Itulah sebabnya endapan air terdalam adalah asin, sedangkan air tawar yang sangat dibutuhkan di tempat-tempat seperti California jauh lebih dangkal dan biasanya diisi ulang dengan air hujan.
Seperti yang Anda ketahui, ada upaya yang dilakukan selama dua dekade terakhir untuk penangkapan dan penyerapan karbon. Idenya adalah jika Anda memiliki terlalu banyak karbon dioksida, Anda hanya menyimpannya dalam formasi geologi bawah permukaan. Tetapi 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 pemodelan tentang CO di bawah permukaan2 penyerapan. Situasi kita jauh lebih sederhana karena jika Anda menyimpan udara di bawah tanah, bahkan jika bocor, siapa peduli — Anda hanya menambahkan lebih banyak udara ke udara, tidak ada karbon dioksida, tidak ada bahan bakar beracun, hanya udara.
Saat ini, alasan orang tidak membangun energi terbarukan secepat yang diperlukan, adalah karena ekonomi tidak terlihat bagus. Faktanya adalah, membutuhkan banyak uang untuk membangun fasilitas ini, dan pada titik ini Anda tidak menggunakan setiap kilowatt yang dihasilkan, sebagian besar daya ini dapat terbuang sia-sia tanpa penyimpanan skala besar.
Jadi, jika Anda menemukan cara untuk menyimpan listrik dan menggunakannya saat Anda membutuhkannya, Anda akan memecahkan masalah ekonomi yang besar. Itu akan membuat perluasan sumber terbarukan jauh lebih dapat diterima oleh investor dan masyarakat pada umumnya.
Ringkasan Teknologi: Apakah Anda pada dasarnya mengatakan bahwa Anda menggunakan teknologi yang ada tetapi menerapkannya dengan cara yang lebih ekonomis dan bermanfaat?
Profesor Ershaghi: Saya pikir kontribusi kami lebih sebagai berikut. Nomor satu, ini adalah teknologi yang terbukti, bahwa orang telah menyimpan udara di kubah garam. Kontribusi pertama kami adalah Anda tidak memerlukan kubah garam — selama Anda memiliki akuifer garam, itu bisa melakukan pekerjaan itu. Nomor dua, kesannya mahal karena harus mengebor sumur. Tetapi kami telah menunjukkan bahwa kami dapat menggunakan sumur yang ada yang ditakdirkan untuk ditinggalkan. Itulah idenya. Jadi pada dasarnya gunakan sumur yang menganggur, gunakan akuifer salin, dan perluas teknologi untuk membuatnya tersedia secara luas, sambil mengurangi tanggung jawab kepada negara bagian dan publik atas biaya pengabaian sumur.
Ringkasan Teknologi: Bagaimana dengan energi yang hilang dalam menjalankan kompresor?
Profesor Ershaghi: Mari kita asumsikan bahwa Anda menggunakan sumber tenaga surya seratus megawatt. Pada saat Anda mengambil seratus megawatt itu dan menggunakannya untuk menghasilkan udara bertekanan, jika Anda melihat keseimbangan energi, tentu saja, Anda kehilangan energi. Jadi, Anda mungkin memiliki, sebagian kecil dari megawatt yang tersedia.
Tapi itulah sifat ibu. Konsep entropi adalah bahwa energi selalu hilang dalam setiap proses di mana pekerjaan dilakukan. Itu adalah area penelitian:bagaimana meminimalkan kerugian.
Jadi, setelah 100 megawatt diubah menjadi udara terkompresi dan melewati proses penyimpanan dan dikembalikan, Anda mungkin hanya memiliki 60 megawatt yang dapat digunakan. Tetapi lebih baik untuk beralih dari 100 ke 60 daripada tidak menghasilkan daya yang berguna sama sekali.
Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda menjelaskan secara singkat bagaimana keseluruhan operasi akan bekerja.
Profesor Ershaghi: Di fasilitas Alabama, sebagai perbandingan, mereka menggunakan udara balik untuk memutar kompresor. Ketika udara kembali, itu harus dipanaskan untuk mengembang sehingga mereka dapat menggunakannya. Jika Anda melakukannya, Anda perlu membakar gas alam untuk menghasilkan panas. Kami tidak membutuhkan itu karena kami menggunakan kompresor untuk memberi tekanan pada air. Ini adalah tekanan air yang mengoperasikan turbin.
Ringkasan Teknologi: Bagaimana udara terkompresi mentransfer energinya ke turbin?
Profesor Ershaghi: Udara terkompresi yang kembali muncul ke permukaan saat dibutuhkan, dan itu menekan air dalam wadah vertikal bertekanan tinggi. Tekanan air mengaktifkan dan menjalankan turbin. Energi kinetik untuk menghasilkan listrik berasal dari tekanan udara terkompresi.
Ringkasan Teknologi: Apa insentif ekonomi untuk membangun sistem ini?
Profesor Ershaghi: Pertama-tama, kita tidak perlu mengebor sumur dan melalui proses perizinan. Di California, sebagian besar lahan minyak dan gas adalah lahan berbayar. Jika saya memiliki hak atas rumah di atas tanah, itu berarti saya memiliki segalanya mulai dari permukaan sampai ke pusat bumi. Jika ternyata ada ladang minyak di bawah tanah saya, saya bisa menyewakan hak saya untuk itu kepada perusahaan minyak. Ini umumnya dalam bentuk persentase pendapatan dari apa yang dihasilkan setiap bulan.
Tanah yang dimiliki oleh sebagian besar perusahaan minyak adalah tanah fee. Jadi, jika saya seorang operator, yang memiliki sejumlah sumur, beberapa di antaranya tidak produktif secara ekonomi, ini bisa menjadi sumber pendapatan. Jika saya mengubah sumur yang ditinggalkan itu menjadi penyimpanan, saya dapat membebankan biaya kepada utilitas untuk hak menggunakannya. Operator kemudian akan memiliki sumber pendapatan dari sumur-sumur yang tidak berproduksi ini. Sementara itu, operator menghilangkan atau menunda biaya pengabaian.
Ini juga bisa menjadi sumber pendapatan baru bagi pemilik tanah:menyewakan hak bawah permukaan mereka kepada operator penyimpanan.
Utilitas akan menganggapnya bermanfaat karena mereka dapat mengurangi jumlah minyak dan gas yang mereka butuhkan untuk menghasilkan tenaga.
Ringkasan Teknologi: Mungkinkah ada gangguan bawah tanah, seperti yang terjadi dengan fracking?
Profesor Ershaghi: Saya senang Anda menanyakan pertanyaan itu. Ada laporan dari Dewan Sumber Daya Nasional yang merangkum penelitian tentang masalah apakah fracking telah menyebabkan gempa bumi. Kesimpulan mereka adalah bahwa tidak ada bukti bahwa praktik fracking yang sebenarnya menyebabkan getaran. Mereka menyimpulkan bahwa gempa kecil disebabkan oleh cairan limbah bekas yang dipompa ke sumur pembuangan. Penambahan cairan ini secara terus-menerus akan menekan pasir, sehingga mengubah medan tegangan bawah permukaan.
Ringkasan Teknologi: Apa langkah Anda selanjutnya?
Profesor Ershaghi: Kami akan memiliki proyek percontohan, yang akan didanai oleh perusahaan utilitas atau minyak. Saya berharap kami dapat memiliki situs pada musim gugur mendatang. Kami telah mengidentifikasi beberapa situs yang ideal, setidaknya untuk demonstrasi. Biayanya mungkin $22 juta untuk fasilitas pembangkit listrik 5 megawatt, termasuk penelitian lebih lanjut tentang interaksi minyak dan air. Kami juga akan mempelajari material baru, mungkin memasang tubing baru, mungkin menggunakan komposit, berbagai jenis semen. Tim kami meliputi insinyur listrik, ilmuwan penelitian air tanah, ahli hidrologi, insinyur reservoir, dan insinyur komposit yang akan bekerja untuk mengoptimalkan sistem. Selain itu, kami akan mempelajari karakterisasi lokasi, tidak hanya untuk geologi yang tepat tetapi juga untuk kedekatan dengan jaringan tenaga listrik. Kami juga bermaksud menerapkan teknologi digital untuk pemantauan situs.
Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di Tech Briefs edisi Februari 2021.
