Fragen und Antworten:Öl- und Gasquellen zur Energiespeicherung

Professor Iraj Ershaghi und ein Forscherteam der University of Southern California (USC) haben einen Weg gefunden, ungenutzte Öl- und Gasquellen zur Energiespeicherung zu nutzen – eines der Hauptprobleme bei der Erzeugung von Solar- und Windenergie.

Technische Informationen: Woher kam diese Idee?

Professor Iraj Ershaghi: Ein großes Problem in diesem Land ist, was mit den vielen Öl- und Gasquellen geschehen soll, die das Ende ihrer produktiven Lebensdauer erreicht haben und dauerhaft aufgegeben werden müssen. Die Aufgabe von Bohrlöchern ist ein großes Problem, mit dem alle Ölgesellschaften konfrontiert sind. Ich spreche von den Majors – kleinere Unternehmen, die es sich manchmal nicht leisten können, die Kosten der Aufgabe zu bezahlen, könnten einfach Insolvenz anmelden und weggehen. Dann wird der Staat dafür verantwortlich, und die Kosten der Aufgabe können enorm sein.

Derzeit stehen in Kalifornien mehr als 37.000 Brunnen still, und in den gesamten USA sprechen Sie von mehr als einer Million. Ich hatte schon immer ein gewisses Interesse an der Frage der Stilllegung von Bohrlöchern und habe darüber nachgedacht, was die Ingenieurgemeinschaft tun kann, um die Stilllegungskosten zu senken und effektiver zu machen.

Ein Problem besteht darin, dass ein Bohrloch, wenn es unsachgemäß aufgegeben wird, zu einer Quelle von Gaslecks werden kann. Dies ist nicht nur wegen seines Beitrags zu Treibhausgasen schlecht, sondern es macht auch keinen Spaß, unwissentlich ein Haus auf einem verlassenen Brunnen zu bauen und dann zu erleben, wie Gas in die Garage austritt.

Ich hatte mich mit der Frage befasst, warum dies geschieht. Einer meiner Gedanken war, dass es vielleicht nicht richtig aufgegeben wurde, vielleicht war der verwendete Zement nicht richtig. Ein Teil meines Interesses war also, wie man es effizienter und verantwortungsvoller macht. In vielen Fällen ist es sogar schwierig, einen verlassenen Brunnen zu lokalisieren, denn wenn jemand ihn verlässt, schneidet er das Bohrlochkopfgehäuse auf, damit es versteckt werden kann.

Dann kam ein Unternehmen auf uns zu und sagte, dass es an einer Zusammenarbeit mit USC interessiert wäre, um zu sehen, ob wir ihm bei einem bedeutenden Problem helfen könnten, mit dem die Branche der erneuerbaren Energien konfrontiert ist – der Energiespeicherung. Sie hatten den Eindruck, dass vielleicht leere Öl- und Gaslagerstätten als Lager genutzt werden könnten. Meine erste Antwort war:Denk nicht einmal darüber nach. Es ist nicht ratsam, komprimierte Luft mit Sauerstoff in Kohlenwasserstofflagerstätten einzublasen.

Mir war bekannt, dass die McIntosh Power Company in McIntosh, Alabama, in riesige geologische Strukturen aus Salz gebohrt hatte, die Salzdome genannt wurden. Sie haben in diesen Salzvorkommen Hohlräume geschaffen, um Druckluft zu speichern, wenn eine Energiequelle überschüssige, nicht benötigte Energie produziert. Wenn sie die gespeicherte Energie nutzen müssen, geben sie die komprimierte Luft ab, um eine Turbine anzutreiben, die Strom erzeugt.

Obwohl wir in Kalifornien keine Salzstöcke haben, wissen wir, dass es auf dem Weg von der Oberfläche bis zu den Kohlenwasserstoffzonen unter der Oberfläche Sandsteinschichten voller uraltem salzhaltigem Meerwasser gibt. Dies sind Sedimente, die abgelagert wurden, als Kalifornien von Wasser bedeckt war, sodass der Wassergehalt dieser geologischen Schichten salzhaltig ist. Wir kamen auf die Idee, vielleicht den McIntosh-Ansatz zu verwenden, aber stattdessen die Druckluft in diesen salzwasserhaltigen Sandablagerungen zu speichern. Einer unserer Fakultätsmitglieder, Dr. Jha, berechnete, dass Sie, wenn Sie unter 4000 Fuß hinuntergehen könnten, genug Speicher haben könnten, um 5 bis 10 Megawatt Strom in einem Radius von 2000 Fuß um einen stillgelegten Brunnen zu erzeugen, der als Injektionsbrunnen umfunktioniert wurde. Es gibt viele Hektar Schichten um Brunnen in Kalifornien herum, die für eine große Menge an Speicher verwendet werden können.

Die kalifornischen Vorschriften verlangen, dass Versorgungsunternehmen bis zu einem bestimmten Datum eine große Energiespeicherkapazität bereitstellen. Versorgungsunternehmen im Rahmen dieses gesetzlichen Mandats haben Probleme, weil sie auf Batterien gesetzt haben, und die Batterietechnologie ist derzeit noch nicht gut genug, um diesen Bedarf zu decken. Da dämmerte uns, dass eine plausible Lösung in Kalifornien darin bestehen könnte, den salzhaltigen Grundwasserleiter zur Speicherung von Druckluft zu nutzen.

Wir haben von Ölgesellschaften gehört, dass sie diese Nutzung einiger ihrer Quellen zur Energiespeicherung begrüßen würden, weil sie dadurch CO2-negative Gutschriften erhalten würden. In Kalifornien muss man klimaneutral sein – für jedes Barrel Öl, das sie produzieren, müssen die Betreiber irgendwie nachweisen, dass sie das CO_{2 verringern.} Problem.

Wir sprechen jetzt mit einigen der Betreiber, die Interesse gezeigt haben, ihre stillgelegten Brunnen für ein Demonstrationsprojekt zu nutzen.

Meine Kollegen und ich sind sehr gespannt auf die Vorstellung, dass dies einen Wandel bewirken wird, um erneuerbare Energien zu erleichtern und in den kalifornischen Energiemarkt einzuführen.

Technische Informationen: Wo bringen Sie den Zement im Verhältnis zum Grundwasserleiter an?

Professor Ershaghi: Ein typischer Brunnen hat eine Reihe von Rohren, die zu den Kohlenwasserstoffvorkommen führen. In einem stillgelegten Bohrloch wird ein Zementpfropfen über der Kohlenwasserstoffschicht platziert. Die Oberflächenverrohrung kann jedoch 50 oder 70 Fuß unter der Oberfläche abgeschnitten und aufgefüllt werden. Dies kann manchmal zu einem Umweltproblem werden, das eine kostspielige Sanierung erfordert.

Andererseits schlagen wir eine Lösung vor, bei der der Bohrlochkopf nicht geschnitten werden muss. Das Öl und Gas könnte 9000 Fuß vertikal unter der Oberfläche sein, aber es könnte Hunderte von Fuß Sandstein geben, der Salzwasser enthält, vielleicht 5000 Fuß unter der Oberfläche. Diese Ablagerungen wurden bisher wegen des Salzwassers ignoriert.

Wenn eine Solarenergiequelle überschüssige Energie produziert, wäre es perfekt, wenn sie für die Verwendung in der Nacht oder zur Bereitstellung von elektrischem Strom bei einem Stromausfall gespeichert werden könnte. Mein Vorschlag ist, diese überschüssige Energie für den späteren Gebrauch zu speichern, wenn sie benötigt wird, indem sie zum Betrieb eines Luftkompressors verwendet wird. Die Druckluft wird dann in den salzwasserführenden Sandstein eingeblasen.

Wir machen etwas Ähnliches wie beim Staudamm, wo man Strom erzeugt, weil Wasser seine potenzielle Energie freisetzt, indem es nach unten über den Damm fließt und eine Turbine antreibt. In diesem Szenario wird die kinetische Energie der Druckluft auf das Wasser übertragen, das eine Turbine und anschließend einen Generator antreibt. Wenn die gespeicherte Energie benötigt wird, steigt die Druckluft an die Oberfläche und setzt einen Wasserbehälter unter Druck, um eine Turbine anzutreiben.

Darüber hinaus schlagen wir vor, Sensoren an der Oberfläche bestehender Bohrlöcher anzubringen, damit wir auch in Echtzeit Kohlenwasserstofflecks erkennen können.

Da Wasser eine geringe Kompressibilität hat, könnte sein gespeicherter Formationsdruck beispielsweise 3000 Pfund pro Quadratzoll betragen. Wenn man daraus ein paar Tage produziert, fällt der Druck sehr schnell ab. Wenn er auf ein bestimmtes Niveau fällt, z. B. 500 psi, startet der Kompressor automatisch, um den Druck durch Einspritzen von mehr Luft wieder auf 3000 psi zu bringen.

Indem wir die Dicke und Fläche der Feuchtgebiete messen, kennen wir das Volumen und können berechnen, wie viel Luft man speichern kann, um sie in Strom umzuwandeln. Unsere Berechnungen zeigen, dass dies die Stromkosten nicht um mehr als ein paar Cent erhöhen würde.

Technische Informationen: Können Sie etwas mehr über die Wechselwirkung zwischen Luft und Wasser erklären?

Professor Ershaghi: Es ist ähnlich wie bei der Speicherung von Erdgas. Sie speichern Erdgas in einer Öllagerstätte. Wenn Sie das Gas injizieren, drückt es das Öl zurück und wenn Sie produzieren, produzieren Sie. Es ist wie ein Jo-Jo, das hin und her geht, hin und her:spritze, dann produziere.

Wir haben ausgerechnet, dass man pro Brunnen 5 bis 10 Megawatt speichern könnte. Multiplizieren Sie das mit den ungefähr 37.000 ungenutzten Brunnen in Kalifornien, und Sie haben Gigawatt. Dies wäre eine wichtige Stromquelle. Der Staat könnte autark werden, er müsste keinen Treibstoff mehr importieren. Dies wäre eine Win-Win-Situation, da die Produktion von Öl und Gas in Kalifornien zurückgeht, während die Nachfrage nach Strom nirgendwo hingeht.

Nehmen wir an, ich bin ein Ölfeldbetreiber und habe vielleicht tausend Bohrlöcher. Ich könnte wissen, dass ein bestimmter Teil des Reservoirs erschöpft war. Diese Quellen könnten nicht mehr genug Öl produzieren, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Es könnte 10 bis 30 Brunnen in diesem erschöpften Gebiet geben. Damit bauen Sie ganz einfach eine 100-Megawatt-Anlage.

Das Schöne an dieser Methode ist, dass sie in den meisten Teilen der Vereinigten Staaten angewendet werden könnte – sie ist nicht auf Öl produzierende Gebiete beschränkt.

Zum Beispiel gibt es in New York zwar keine groß angelegte Öl- und Gasförderung, aber Wassersandvorkommen über dem Devon-Schiefer, die genutzt werden könnten. In jedem Teil der USA werden Sie beim Bohren salzhaltige Grundwasserleiter sehen. Vor einer Million Jahren war ein Großteil der USA von Wasserstraßen bedeckt, daher gibt es jetzt überall feuchte Sedimente. Sie könnten sich in einem Zustand befinden, der nie einen Tropfen Öl oder Gas produziert hat, aber es würde immer noch diese feuchten Schichten unter der Erde geben. Der geologische Dienst der USA verfügt über Karten, die Ihnen die Lage unterirdischer Ablagerungen von feuchtem Sand zeigen.

Technische Informationen: Sie haben erwähnt, dass dieser Sand in Kalifornien Salzwasser enthält; muss es Kochsalzlösung sein, damit das funktioniert?

Professor Ershaghi: Angesichts der Süßwasserknappheit, mit der wir in vielen Teilen der USA konfrontiert sind, wäre es keine gute Idee, unterirdische Süßwasserressourcen für diesen Zweck zu nutzen. Wenn wir jedoch tief genug gehen, ist jedes Wasser, das wir entdecken, wahrscheinlich salzhaltig.

Die Erklärung erfordert eine kurze Lektion in Geologie. Wenn Sie die Temperatur der Erde für die letzten 300 Millionen Jahre aufzeichnen, zeigt dies im Wesentlichen, dass die Temperatur der Erde manchmal sehr hoch und manchmal sehr niedrig war. Als ein Großteil der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt war, durchlief es Perioden des Gefrierens und Auftauens. Dadurch wurden nach und nach Bereiche von Felsformationen zerstört und die Schuttmaterialien angesammelt.

Die durch die Gesteinserosion gebildeten Sedimente wurden mit dem Anstieg der Ozeane mit Meerwasser gesättigt. Deshalb sind die tiefsten Wasservorkommen salzhaltig, während das Süßwasser, das an Orten wie Kalifornien dringend benötigt wird, viel flacher ist und normalerweise mit Regenwasser aufgefüllt wird.

Wie Sie wissen, wurden in den letzten zwei Jahrzehnten Anstrengungen zur Kohlenstoffabscheidung und -bindung unternommen. Die Idee war, dass, wenn Sie zu viel Kohlendioxid haben, Sie es einfach in unterirdischen geologischen Formationen speichern. Es gab jedoch Bedenken hinsichtlich des Austretens von Kohlendioxid. In unserem vorgeschlagenen Energiespeicherkonzept profitieren wir also auch von dieser Erfahrung, denn es gibt viel Forschung und Modellierung in Bezug auf unterirdisches CO₂ Beschlagnahme. Unsere Situation ist viel einfacher, denn wenn Sie Luft unterirdisch speichern, selbst wenn sie austritt, wen interessiert das schon – Sie fügen der Luft nur mehr Luft hinzu, es gibt kein Kohlendioxid, es gibt keinen giftigen Brennstoff, es ist nur Luft.

Der Grund, warum die Menschen derzeit nicht so schnell wie nötig erneuerbare Energien bauen, liegt darin, dass die Wirtschaftlichkeit nicht gut aussieht. Tatsache ist, dass der Bau dieser Anlagen viel Geld kostet, und an diesem Punkt wird nicht jedes erzeugte Kilowatt genutzt, ein erheblicher Teil dieser Energie könnte ohne groß angelegte Speicherung einfach verschwendet werden.

Wenn Sie also einen Weg finden, den Strom zu speichern und ihn dann zu verwenden, wenn Sie ihn brauchen, werden Sie ein großes wirtschaftliches Problem lösen. Das würde den Ausbau erneuerbarer Energien für Investoren und die Gesellschaft insgesamt viel akzeptabler machen.

Technische Informationen: Wollen Sie damit im Grunde sagen, dass Sie vorhandene Technologie nutzen, diese aber auf eine Weise einsetzen, die wirtschaftlicher und nützlicher ist?

Professor Ershaghi: Ich denke, unser Beitrag ist eher folgender. Erstens ist es eine bewährte Technologie, dass Menschen Luft in Salzstöcken gespeichert haben. Unser erster Beitrag ist, dass Sie keinen Salzstock benötigen – solange Sie einen salzhaltigen Aquifer haben, der die Arbeit erledigen könnte. Zweitens entsteht der Eindruck, dass dies kostspielig ist, weil Sie den Brunnen bohren müssen. Aber wir haben gezeigt, dass wir bestehende Brunnen nutzen können, die aufgegeben werden sollen. Das ist die Idee. Verwenden Sie also im Wesentlichen die ungenutzten Brunnen, verwenden Sie einen salzhaltigen Grundwasserleiter und erweitern Sie die Technologie, um sie allgemein verfügbar zu machen, während Sie gleichzeitig die Haftung gegenüber den Staaten und der Öffentlichkeit für die Kosten für die Stilllegung von Brunnen verringern.

Technische Informationen: Was ist mit der Energie, die beim Betrieb des Kompressors verloren geht?

Professor Ershaghi: Nehmen wir an, Sie verwenden eine 100-Megawatt-Solarquelle. Bis man diese hundert Megawatt nimmt und daraus Druckluft erzeugt, verliert man natürlich Energie, wenn man sich die Energiebilanz anschaut. Sie haben also vielleicht nur einen Bruchteil der verfügbaren Megawatt.

Aber das ist Mutter Natur. Das Konzept der Entropie besagt, dass bei jedem Prozess, bei dem Arbeit verrichtet wird, immer Energie verloren geht. Das ist ein Forschungsgebiet:wie man die Verluste minimiert.

Nachdem also die 100 Megawatt in Druckluft umgewandelt wurden und sie den Speicherprozess durchlaufen haben und zurückgegeben werden, haben Sie möglicherweise nur 60 Megawatt, die nutzbar sind. Aber es ist besser, von 100 auf 60 zu gehen, als überhaupt keine nutzbare Leistung zu erzeugen.

Technische Informationen: Können Sie kurz beschreiben, wie der gesamte Vorgang ablaufen würde?

Professor Ershaghi: In der Anlage in Alabama wird zum Vergleich die Rückluft zum Drehen des Kompressors verwendet. Wenn die Luft zurückkommt, muss sie erwärmt werden, damit sie sich ausdehnt, damit sie sie nutzen können. Wenn Sie das tun, müssen Sie Erdgas verbrennen, um die Wärme zu erzeugen. Wir brauchen das nicht, weil wir einen Kompressor verwenden, um Druck auf das Wasser auszuüben. Es ist der Wasserdruck, der die Turbine betreibt.

Technische Informationen: Wie überträgt die komprimierte Luft ihre Energie auf die Turbine?

Professor Ershaghi: Die zurückgeführte Druckluft kommt bei Bedarf an die Oberfläche und setzt das Wasser in einem vertikalen Hochdruckbehälter unter Druck. Der Wasserdruck aktiviert und treibt die Turbine an. Die kinetische Energie zur Stromerzeugung kommt aus dem Druck der Druckluft.

Technische Informationen: Was wären die wirtschaftlichen Anreize für den Bau dieser Systeme?

Professor Ershaghi: Erstens müssen wir den Brunnen nicht bohren und das Genehmigungsverfahren durchlaufen. In Kalifornien sind die meisten Öl- und Gasvorkommen Gebührenländer. Wenn ich ein Eigentumsrecht an einem Haus auf freiem Land habe, bedeutet das, dass mir alles von der Oberfläche bis hinunter zum Erdmittelpunkt gehört. Wenn sich herausstellt, dass sich unter meinem Land ein Ölfeld befindet, kann ich meine Rechte daran an eine Ölgesellschaft verpachten. Dies ist im Allgemeinen in Form eines Prozentsatzes des Einkommens dessen, was jeden Monat produziert wird.

Das Land, das den meisten Ölgesellschaften gehört, ist Gebührenland. Wenn ich also ein Betreiber bin, der mehrere Brunnen besitzt, von denen einige wirtschaftlich unproduktiv sind, könnte dies eine Einnahmequelle sein. Wenn ich diese stillgelegten Brunnen in Speicher umwandele, könnte ich einen Versorger für das Nutzungsrecht in Rechnung stellen. Der Betreiber hätte dann eine Einkommensquelle aus diesen nicht produzierenden Brunnen. In der Zwischenzeit eliminieren oder verschieben die Betreiber die Abbruchkosten.

Dies könnte auch eine neue Einnahmequelle für Grundeigentümer sein:die Verpachtung ihrer unterirdischen Rechte an Speicherbetreiber.

Versorgungsunternehmen würden es für lohnenswert halten, da sie die Menge an Öl und Gas reduzieren könnten, die sie zur Stromerzeugung benötigen.

Technische Informationen: Könnte es unterirdische Störungen geben, wie sie beim Fracking aufgetreten sind?

Professor Ershaghi: Ich bin froh, dass Sie diese Frage gestellt haben. Es gab einen Bericht des National Resource Council, der die Forschung zu der Frage zusammenfasste, ob Fracking Erdbeben verursacht hat. Ihre Schlussfolgerungen waren, dass es keine Beweise dafür gibt, dass die tatsächliche Fracking-Praxis die Erschütterungen verursacht hat. Sie kamen zu dem Schluss, dass kleinere Erdbeben durch gebrauchte Abfallflüssigkeiten verursacht wurden, die in Entsorgungsbrunnen gepumpt wurden. Das kontinuierliche Hinzufügen dieser Flüssigkeiten setzt den Sand unter Druck und verändert so die Spannungsfelder unter der Oberfläche.

Technische Informationen: Was sind Ihre nächsten Schritte?

Professor Ershaghi: Wir werden ein Demonstrationsprojekt haben, das entweder von Versorgungsunternehmen oder Ölgesellschaften finanziert wird. Ich gehe davon aus, dass wir im nächsten Herbst einen Standort haben könnten. Wir haben bereits einige Standorte identifiziert, die zumindest für eine Demonstration ideal wären. Es könnte 22 Millionen Dollar für eine 5-Megawatt-Anlage kosten, einschließlich weiterer Forschungen zur Wechselwirkung von Öl und Wasser. Wir werden auch neue Materialien untersuchen, vielleicht neue Schläuche einbauen, vielleicht Verbundwerkstoffe und verschiedene Arten von Zement verwenden. Zu unserem Team gehören Elektroingenieure, Grundwasserforscher, Hydrologen, Lagerstätteningenieure und Verbundingenieure, die an der Optimierung des Systems arbeiten werden. Darüber hinaus werden wir die Charakterisierung des Standorts untersuchen, nicht nur im Hinblick auf die richtige Geologie, sondern auch auf die Nähe zum Stromnetz. Wir beabsichtigen auch, digitale Technologien für die Standortüberwachung einzusetzen.

Eine bearbeitete Version dieses Interviews erschien in der Februar-Ausgabe 2021 der Tech Briefs.