Stillgelegte Öl- und Gasbohrungen als Speicher für erneuerbare Energie – USC-Studie

Professor Iraj Ershaghi und ein Forscherteam an der University of Southern California (USC) haben einen Weg gefunden, stillgelegte Öl- und Gasbohrungen für Energiespeicherung zu nutzen – eines der Hauptprobleme bei der Solar- und Windenergieerzeugung.

Tech Briefs: Woher kam diese Idee?

Professor Iraj Ershaghi: Ein großes Problem in diesem Land ist, was mit der großen Anzahl an Öl- und Gasbohrungen geschehen soll, die das Ende ihrer produktiven Lebensdauer erreicht haben und dauerhaft stillgelegt werden müssen. Die Stilllegung von Bohrungen ist ein großes Thema, mit dem alle Ölkonzerne konfrontiert sind – ich spreche von den Majors. Kleinere Unternehmen, die sich die Stilllegungskosten manchmal nicht leisten können, erklären einfach Insolvenz und ziehen sich zurück. Dann wird es zur Aufgabe des Staates, und die Stilllegungskosten können enorm sein.

In Kalifornien gibt es derzeit mehr als 37.000 stillgelegte Bohrungen, in den gesamten USA über eine Million. Ich hatte immer ein Interesse an der Stilllegungsproblematik und daran, was die Ingenieursgemeinschaft tun kann, um die Stilllegungskosten zu senken und sie effektiver zu gestalten.

Ein Problem ist, dass eine unsachgemäß stillgelegte Bohrung zu einer Quelle für Gasleckagen werden kann. Nicht nur, weil dies zum Treibhauseffekt beiträgt, sondern es ist auch nicht angenehm, unwissentlich ein Haus auf einer stillgelegten Bohrung zu bauen und dann Gas in der Garage ausströmen zu haben.

Ich habe untersucht, warum dies geschieht. Ein Gedanke war, dass sie vielleicht nicht ordnungsgemäß stillgelegt wurden, vielleicht war der verwendete Zement nicht geeignet. Ein Teil meines Interesses galt also der Frage, wie man es effizienter und verantwortungsvoller machen kann. In vielen Fällen ist es sogar schwierig, eine stillgelegte Bohrung zu lokalisieren, da beim Stilllegen der Bohrkopf abgeschnitten wird, damit er versteckt werden kann.

Dann sprach uns ein Unternehmen an und sagte, sie wären an einer Zusammenarbeit mit der USC interessiert, um zu sehen, ob wir ihnen bei einem bedeutenden Problem helfen könnten, mit dem die Erneuerbare-Energien-Branche konfrontiert ist – Energiespeicherung. Sie hatten den Eindruck, dass vielleicht leere Öl- und Gasreservoirs als Speicher genutzt werden könnten. Meine erste Reaktion war: Denken Sie gar nicht daran. Es ist nicht ratsam, Druckluft mit Sauerstoff in Kohlenwasserstoffreservoirs zu injizieren.

Ich wusste, dass die McIntosh Power Company in McIntosh, Alabama, in riesige geologische Strukturen aus Salz, sogenannte Salzdome, gebohrt hatte. Sie schufen Hohlräume in diesen Salzlagerstätten, um Druckluft zu speichern, wenn eine Energiequelle überschüssigen, nicht benötigten Strom produziert. Wenn die gespeicherte Energie benötigt wird, lassen sie die Druckluft entweichen, um eine Turbine anzutreiben, die Strom erzeugt.

Obwohl wir in Kalifornien keine Salzdome haben, wissen wir, dass man von der Oberfläche bis in die unterirdischen Kohlenwasserstoffzonen Schichten von Sandstein vorfindet, die mit altem salzigem Meerwasser gefüllt sind. Dies sind Sedimente, die abgelagert wurden, als Kalifornien von Wasser bedeckt war, sodass der Wassergehalt dieser geologischen Schichten salin ist. Wir bekamen die Idee, den McIntosh-Ansatz zu nutzen, aber stattdessen die Druckluft in diesen salzwasserführenden Sandablagerungen zu speichern. Einer unserer Fakultätsmitglieder, Dr. Jha, berechnete, dass man, wenn man unter 4000 Fuß (ca. 1220 Meter) geht, genug Speicher haben könnte, um 5 bis 10 Megawatt Strom in einem 2000-Fuß-Radius (ca. 610 Meter) um eine stillgelegte Bohrung, die als Injektionsbohrung umfunktioniert wird, zu erzeugen. Es gibt viele Acre-Fuß an Schichten um Bohrungen in Kalifornien, die für große Speichermengen genutzt werden können.

Kalifornische Vorschriften verlangen von Versorgungsunternehmen, bis zu einem bestimmten Termin große Energiespeicherkapazitäten vorzuweisen. Versorgungsunternehmen kämpfen unter diesem gesetzlichen Mandat, weil sie auf Batterien gesetzt hatten, und die Batterietechnologie ist derzeit noch nicht gut genug, um diesen Bedarf zu decken. Da wurde uns klar, dass eine plausible Lösung in Kalifornien darin bestehen könnte, den salinen Aquifer zur Speicherung von Druckluft zu nutzen.

Wir hörten von Ölunternehmen, dass sie diese Nutzung einiger ihrer Bohrungen für Energiespeicherung begrüßen würden, weil es ihnen Carbon-Negative-Credits einbringen würde. In Kalifornien muss man carbon-neutral sein – für jedes geförderte Fass Öl müssen die Betreiber irgendwie zeigen, dass sie das CO₂-Problem mildern.

Wir sprechen jetzt mit einigen Betreibern, die Interesse an einer Demonstration mit ihren stillgelegten Bohrungen gezeigt haben.

Meine Kollegen und ich sind sehr begeistert, dass dies transformativ sein könnte, um Erneuerbare in den kalifornischen Energiemarkt zu bringen.

Tech Briefs: Wo platzieren Sie den Zement in Bezug auf den Aquifer?

Professor Ershaghi: Eine typische Bohrung hat eine Reihe von Rohren, die zu den Kohlenwasserstoffablagerungen führen. In einer stillgelegten Bohrung wird ein Zementpfropfen oberhalb der Kohlenwasserstoffschicht platziert. Allerdings könnte die Oberflächenverrohrung 50 oder 70 Fuß unter der Oberfläche abgeschnitten und verfüllt werden. Dies kann manchmal zu einem Umweltproblem werden, das kostspielige Sanierung erfordert.

Andererseits schlagen wir eine Lösung vor, die nicht das Abschneiden des Bohrkopfs erfordert. Öl und Gas könnten 9000 Fuß vertikal unter der Oberfläche liegen, aber es könnte hunderte Fuß Sandstein mit Salzwasser geben, vielleicht 5000 Fuß unter der Oberfläche. Diese Ablagerungen wurden bisher wegen des Salzwassers ignoriert.

Wenn eine Solarenergiequelle überschüssigen Strom produziert, wäre es perfekt, wenn dieser für die Nacht oder zur Stromversorgung bei einem Brownout gespeichert werden könnte. Mein Vorschlag ist, diesen Überschussstrom für die spätere Nutzung zu speichern, indem man ihn nutzt, um einen Luftkompressor zu betreiben. Die Druckluft wird dann in den salzwasserführenden Sandstein injiziert.

Wir machen etwas Ähnliches wie bei einem Wasserkraftwerk, wo Strom erzeugt wird, weil Wasser seine potenzielle Energie freisetzt, indem es über den Damm nach unten 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 unter Druck stehende Luft an die Oberfläche und setzt einen Wasserbehälter unter Druck, um eine Turbine anzutreiben.

Zusätzlich schlagen wir vor, Sensoren an der Oberfläche bestehender Bohrungen anzubringen, damit wir auch in Echtzeit jegliche Kohlenwasserstoffleckagen detektieren können.

Da Wasser eine geringe Kompressibilität hat, könnte sein gespeicherter Formationsdruck beispielsweise 3000 psi betragen. Wenn man das für ein paar Tage fördert, fällt der Druck sehr schnell. Wenn er auf ein bestimmtes Niveau sinkt, sagen wir 500 psi, startet der Kompressor automatisch, um den Druck durch Injektion weiterer Luft wieder auf 3000 psi zu bringen.

Indem wir die Mächtigkeit und Fläche der Feuchtgebietablagerungen messen, kennen wir das Volumen und können berechnen, wie viel Luft gespeichert und in Strom umgewandelt werden kann. Unsere Berechnungen zeigen, dass dies den Stromkosten nicht mehr als ein paar Cent hinzufügen würde.

Tech Briefs: Könnten Sie etwas mehr über die Wechselwirkung zwischen Luft und Wasser erklären?

Professor Ershaghi: Es ist ähnlich wie bei der Erdgasspeicherung. Man speichert Erdgas in einem Ölreservoir. Wenn man das Gas injiziert, drückt es das Öl zurück, und wenn man fördert, fördert man. Es ist wie ein Jo-Jo, das hin und her geht: injizieren, dann fördern.

Wir haben berechnet, dass man 5 bis 10 Megawatt pro Bohrung speichern könnte. Multipliziert man das mit den rund 37.000 stillgelegten Bohrungen in Kalifornien, erhält man Gigawatt. Das wäre eine bedeutende Stromquelle. Der Staat könnte autark werden, müsste keinen Brennstoff mehr importieren. Das wäre eine Win-Win-Situation, da die Öl- und Gasförderung in Kalifornien zurückgeht, während die Stromnachfrage nicht sinkt.

Angenommen, ich bin ein Ölfeldbetreiber und habe tausend Bohrungen. Ich könnte wissen, dass ein bestimmter Teil des Reservoirs erschöpft ist. Diese Bohrungen würden nicht mehr genug Öl fördern, um wirtschaftlich tragfähig zu sein. Es könnten 10 bis 30 Bohrungen in diesem erschöpften Bereich sein. Damit ließe sich leicht eine 100-Megawatt-Anlage bauen.

Die Schönheit dieser Methode ist, dass sie in den meisten Teilen der USA eingesetzt werden könnte – sie ist nicht auf ölproduzierende Gebiete beschränkt.

Beispielsweise in New York, wo es keine große Öl- und Gasförderung gibt, hat man Ablagerungen von Wassersanden über dem Devonschicht, die genutzt werden könnten. In jedem Teil der USA, wenn man tief genug bohrt, wird man saline Aquifere finden. Vor einer Million Jahre war ein Großteil der USA von Wasserwegen bedeckt, sodass es jetzt überall nasse Sedimente unter der Erde gibt. Man könnte in einem Staat sein, der nie einen Tropfen Öl oder Gas gefördert hat, aber er würde dennoch diese nassen Schichten unter der Erde haben. Der US Geological Survey hat Karten, die die Lage unterirdischer nasser Sandablagerungen zeigen.

Tech Briefs: Sie erwähnten, dass diese Sande in Kalifornien Salzwasser enthalten; muss es Salzwasser sein, damit dies funktioniert?

Professor Ershaghi: Angesichts des Süßwassermangels, dem wir in vielen Teilen der USA gegenüberstehen, wäre es keine gute Idee, unterirdische Süßwasserressourcen für diesen Zweck zu nutzen. Geht man jedoch tief genug, ist jedes entdeckte Wasser wahrscheinlich salin.

Die Erklärung erfordert eine kurze Lektion in Geologie. Wenn man die Erdtemperatur der letzten 300 Millionen Jahre aufträgt, zeigt sie im Wesentlichen, dass die Temperatur der Erde manchmal sehr hoch, manchmal sehr niedrig war. Als ein Großteil der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt war, durchlief sie Perioden des Gefrierens und Auftauens. Dies zersetzte allmählich Gesteinsformationen, und das Detritus-Material akkumulierte.

Die durch Gesteinserosion gebildeten Sedimente wurden durch den Anstieg der Ozeane mit Meerwasser gesättigt. Deshalb sind die tiefsten Wasserablagerungen salin, während das Süßwasser, das in Orten wie Kalifornien dringend benötigt wird, viel flacher liegt und meist durch Regenwasser aufgefüllt wird.

Wie Sie wissen, gibt es seit zwei Jahrzehnten Bemühungen um Carbon Capture and Sequestration. Die Idee war, dass man, wenn man zu viel Kohlendioxid hat, es einfach in unterirdische geologische Formationen speichert. Aber es gab Bedenken wegen CO₂-Leckagen. In unserem vorgeschlagenen Energiespeicherkonzept profitieren wir auch von dieser Erfahrung, denn es gibt viel Forschung und Modellierung zur unterirdischen CO₂-Sequestrierung. Unsere Situation ist viel einfacher, denn wenn man Luft unterirdisch speichert, ist es egal, wenn sie ausläuft – man fügt einfach mehr Luft zur Luft hinzu, kein Kohlendioxid, kein giftiger Brennstoff, nur Luft.

Derzeit werden Erneuerbare nicht so schnell gebaut wie nötig, weil die Ökonomie nicht stimmt. Tatsache ist, der Bau dieser Anlagen kostet viel Geld, und derzeit nutzt man nicht jede Kilowattstunde, die erzeugt wird – ein signifikanter Teil dieser Energie könnte ohne großflächige Speicherung einfach vergeudet werden.

Wenn man also einen Weg findet, den Strom zu speichern und ihn dann zu nutzen, wenn man ihn braucht, löst man ein großes wirtschaftliches Problem. Das würde die Expansion erneuerbarer Quellen für Investoren und die Gesellschaft insgesamt viel akzeptabler machen.

Tech Briefs: Sagen Sie im Grunde, dass Sie bestehende Technologie nutzen, aber auf eine wirtschaftlichere und nützlichere Weise anwenden?

Professor Ershaghi: Ich denke, unser Beitrag ist eher folgender. Erstens, es ist eine bewährte Technologie, dass Menschen Luft in Salzdomen gespeichert haben. Unser erster Beitrag ist, dass man keinen Salzdome braucht – solange man einen salinen Aquifer hat, kann der den Job erledigen. Zweitens, der Eindruck ist, dass dies teuer ist, weil man die Bohrung bohren muss. Aber wir haben gezeigt, dass wir bestehende Bohrungen nutzen können, die für die Stilllegung vorgesehen sind. Das ist die Idee. Also im Wesentlichen: stillgelegte Bohrungen nutzen, salinen Aquifer nutzen, und die Technologie erweitern, um sie breit verfügbar zu machen, während man die Haftung für Staaten und Öffentlichkeit für Stilllegungskosten reduziert.

Tech Briefs: Was ist mit dem Energieverlust beim Betrieb des Kompressors?

Professor Ershaghi: Nehmen wir an, Sie nutzen eine 100-Megawatt-Solarquelle. Wenn Sie diese 100 Megawatt nehmen und sie zur Erzeugung von Druckluft verwenden, schauen Sie auf die Energiebilanz – natürlich verlieren Sie Energie. Also haben Sie vielleicht nur einen Bruchteil der Megawatt verfügbar.

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

Nachdem die 100 Megawatt in Druckluft umgewandelt wurden und der Speicherprozess durchlaufen wurde und zurückkehrt, hat man vielleicht nur 60 Megawatt nutzbarer Leistung. Aber es ist besser, von 100 auf 60 zu gehen, als gar keine nutzbare Leistung zu erzeugen.

Tech Briefs: Können Sie kurz beschreiben, wie der Gesamtbetrieb funktionieren würde?

Professor Ershaghi: In der Alabama-Anlage wird zum Vergleich die zurückkehrende Luft verwendet, um den Kompressor anzutreiben. Wenn die Luft zurückkommt, muss sie erhitzt werden, um sich auszudehnen, damit sie genutzt werden kann. Wenn man das macht, muss man Erdgas verbrennen, um die Hitze 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.

Tech Briefs: Wie überträgt die Druckluft ihre Energie auf die Turbine?

Professor Ershaghi: Die zurückkehrende Druckluft kommt an die Oberfläche, wenn sie gebraucht wird, und setzt das Wasser in einem vertikalen Hochdruckbehälter unter Druck. Der Wasserdruck aktiviert und betreibt die Turbine. Die kinetische Energie zur Stromerzeugung kommt vom Druck der Druckluft.

Tech Briefs: Was wären die wirtschaftlichen Anreize für den Bau solcher Systeme?

Professor Ershaghi: Erstens muss man die Bohrung nicht bohren und den Genehmigungsprozess nicht durchlaufen. In Kalifornien sind die meisten Öl- und Gasländer Fee-Lands. Wenn ich Eigentum an einem Haus auf Fee-Land habe, bedeutet das, ich besitze alles von der Oberfläche bis zum Erdmittelpunkt. Wenn sich herausstellt, dass unter meinem Land ein Ölfeld liegt, kann ich meine Rechte daran an ein Ölunternehmen verpachten. Das geschieht in der Regel in Form eines Prozentsatzes des monatlichen Einkommens aus der Förderung.

Das Land, das die meisten Ölunternehmen besitzen, ist Fee-Land. Also, wenn ich ein Betreiber bin, der eine Reihe von Bohrungen besitzt, von denen einige wirtschaftlich unproduktiv sind, könnte dies eine Einnahmequelle sein. Wenn ich diese stillgelegten Bohrungen in Speicher umwandle, könnte ich einem Versorgungsunternehmen das Nutzungsrecht in Rechnung stellen. Der Betreiber hätte dann eine Einnahmequelle aus diesen nicht-fördernden Bohrungen. Gleichzeitig eliminieren oder verschieben die Betreiber die Stilllegungskosten.

Dies könnte auch eine neue Einnahmequelle für Grundstückseigentümer sein: Verpachtung ihrer Untergrundrechte an Speicherbetreiber.

Versorgungsunternehmen würden es lohnenswert finden, weil sie die Menge an Öl und Gas reduzieren könnten, die sie zur Stromerzeugung benötigen.

Tech Briefs: Könnte es unterirdische Störungen geben, wie sie beim Fracking aufgetreten sind?

Professor Ershaghi: Ich freue mich, dass Sie diese Frage stellen. Es gab einen Bericht des National Resource Council, der Forschung zusammenfasste zur Frage, ob Fracking Erdbeben verursacht hat. Ihre Schlussfolgerung war, dass es keine Beweise dafür gibt, dass die eigentliche Praxis des Frackings die Beben verursacht hat. Sie kamen zu dem Schluss, dass kleinere Erdbeben durch benutzte Abfallflüssigkeiten verursacht wurden, die in Entsorgungsbohrungen gepumpt werden. Das kontinuierliche Hinzufügen dieser Flüssigkeiten setzt den Sand unter Druck und verändert so die unterirdischen Spannungsfelder.

Tech Briefs: Was sind Ihre nächsten Schritte?

Professor Ershaghi: Wir werden ein Demonstrationsprojekt haben, das entweder von Versorgungsunternehmen oder Ölunternehmen finanziert wird. Ich erwarte, dass wir bis zum nächsten Herbst einen Standort haben könnten. Wir haben bereits einige Standorte identifiziert, die ideal wären, zumindest für eine Demonstration. Es könnte 22 Millionen Dollar für eine 5-Megawatt-Erzeugungsanlage kosten, einschließlich weiterer Forschung zur Wechselwirkung von Öl und Wasser. Wir werden auch neue Materialien untersuchen, vielleicht neue Rohre einziehen, vielleicht Verbundwerkstoffe, verschiedene Zementarten. Unser Team umfasst Elektroingenieure, Grundwasserforscher, Hydrologen, Reservoiringenieure und Verbundwerkstoffingenieure, die an der Optimierung des Systems arbeiten. Zusätzlich werden wir die Standortcharakterisierung untersuchen, nicht nur für die richtige Geologie, sondern auch für die Nähe zum Stromnetz. Wir beabsichtigen auch, digitale Technologien für das Standortmonitoring einzusetzen.

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