Questions-réponses :Puits de pétrole et de gaz pour le stockage de l'énergie

Le professeur Iraj Ershaghi et une équipe de chercheurs de l'Université de Californie du Sud (USC) ont trouvé un moyen d'utiliser les puits de pétrole et de gaz inutilisés pour le stockage de l'énergie, l'une des principales préoccupations pour la production d'énergie solaire et éolienne.

Fiches techniques : D'où vient cette idée ?

Professeur Iraj Ershaghi : Un problème majeur dans ce pays est de savoir quoi faire avec le grand nombre de puits de pétrole et de gaz qui ont atteint la fin de leur vie productive et doivent être définitivement abandonnés. L'abandon de puits est un problème majeur auquel sont confrontées toutes les compagnies pétrolières. Je parle des majors – les petites entreprises qui n'ont parfois pas les moyens de payer le coût de l'abandon pourraient tout simplement déclarer faillite et s'en aller. Cela devient alors une responsabilité pour l'État, et le coût de l'abandon peut être énorme.

Il y a plus de 37 000 puits en Californie qui sont actuellement inactifs, et dans l'ensemble des États-Unis, vous parlez de plus d'un million. J'ai toujours eu un certain intérêt pour la question de l'abandon de puits et j'ai réfléchi à ce que la communauté des ingénieurs peut faire pour réduire les coûts d'abandon et le faire plus efficacement.

Un problème est que lorsque vous abandonnez un puits de manière inappropriée, cela peut devenir une source de fuite de gaz. Non seulement c'est mauvais à cause de sa contribution aux gaz à effet de serre, mais ce n'est pas amusant de construire sans le savoir une maison au-dessus d'un puits abandonné et ensuite de faire l'expérience d'une fuite de gaz dans le garage.

J'avais cherché à savoir pourquoi cela se produisait. Une de mes pensées était peut-être qu'il n'était pas abandonné correctement, peut-être que le ciment qu'ils utilisaient n'était pas approprié. Donc, une partie de mon intérêt a été de savoir comment le faire de manière plus efficace et plus responsable. Dans de nombreux cas, il est même difficile de localiser un puits abandonné, car lorsque quelqu'un l'abandonne, il coupe le tubage de la tête de puits afin qu'il puisse être caché.

Ensuite, une entreprise nous a contactés et nous a dit qu'elle serait intéressée à travailler avec USC pour voir si nous pouvions les aider à résoudre un problème important auquel l'industrie des énergies renouvelables est confrontée :le stockage de l'énergie. Ils avaient l'impression que les réservoirs de pétrole et de gaz vides pouvaient peut-être être utilisés comme stockage. Ma première réponse a été :n'y pense même pas. Il n'est pas prudent d'injecter de l'air comprimé, avec de l'oxygène, dans des réservoirs d'hydrocarbures.

Je savais que la McIntosh Power Company à McIntosh, en Alabama, avait foré dans d'énormes structures géologiques faites de sel, appelées dômes de sel. Ils ont créé des cavités dans ces gisements de sel pour stocker l'air comprimé pendant les périodes où une source d'énergie produit un excès de puissance inutile. Lorsqu'ils ont besoin d'utiliser l'énergie stockée, ils libèrent l'air comprimé pour faire fonctionner une turbine qui produit de l'électricité.

Bien que nous n'ayons pas de dômes de sel en Californie, nous savons que lorsque vous descendez de la surface jusqu'aux zones d'hydrocarbures souterraines, il existe des couches de grès remplies d'eau de mer saline ancienne. Ce sont des sédiments qui se sont déposés au moment où la Californie était recouverte d'eau, de sorte que la teneur en eau de ces couches géologiques est saline. Nous avons eu l'idée que nous pourrions peut-être utiliser l'approche McIntosh, mais à la place, stocker l'air comprimé dans ces dépôts de sable contenant de l'eau salée. L'un de nos membres du corps professoral, le Dr Jha, a calculé que si vous pouviez descendre en dessous de 4000 pieds, vous pourriez avoir suffisamment de stockage pour produire 5 à 10 mégawatts d'électricité dans un rayon de 2000 pieds autour d'un puits inactif reconverti en puits d'injection. Il existe plusieurs acres-pieds de couches autour des puits en Californie qui peuvent être utilisées pour une grande quantité de stockage.

La réglementation californienne oblige les services publics, à une certaine date, à proposer une grande capacité de stockage d'énergie. Les services publics sous ce mandat législatif sont en difficulté parce qu'ils comptaient sur des batteries, et à l'heure actuelle, la technologie des batteries n'est pas encore assez bonne pour satisfaire ce besoin. C'est alors que nous avons compris qu'une solution plausible en Californie pourrait être d'utiliser l'aquifère salin pour stocker l'air comprimé.

Nous avons entendu des compagnies pétrolières dire qu'elles accueilleraient favorablement cette utilisation de certains de leurs puits pour le stockage de l'énergie, car cela leur donnerait des crédits carbone négatifs. En Californie, vous devez être neutre en carbone :pour chaque baril de pétrole qu'ils produisent, les opérateurs doivent montrer d'une manière ou d'une autre qu'ils atténuent le CO_2. problème.

Nous discutons maintenant avec certains des opérateurs qui ont manifesté leur intérêt à utiliser leurs puits inutilisés pour un projet de démonstration.

Mes collègues et moi sommes très heureux de penser que cela va être une transformation pour faciliter et introduire les énergies renouvelables sur le marché énergétique californien.

Fiches techniques : Où placez-vous le ciment par rapport à l'aquifère ?

Professeur Ershaghi : Un puits typique comporte une série de tuyaux menant aux gisements d'hydrocarbures. Dans un puits inutilisé, un bouchon de ciment est placé au-dessus de la couche d'hydrocarbures. Cependant, le tubage de surface peut être coupé à 50 ou 70 pieds sous la surface et rempli. Cela peut parfois devenir un problème environnemental nécessitant des mesures correctives coûteuses.

En revanche, nous proposons une solution qui ne nécessite pas de couper la tête de puits. Le pétrole et le gaz pourraient être à 9 000 pieds verticalement sous la surface, mais il pourrait y avoir des centaines de pieds de grès contenant de l'eau salée, peut-être à 5 000 pieds sous la surface. Ces dépôts étaient auparavant ignorés à cause de l'eau salée.

Si une source d'énergie solaire produit un excès d'énergie, ce serait parfait si elle pouvait être stockée pour être utilisée la nuit ou pour fournir de l'électricité en cas de baisse de tension. Ma proposition est de stocker cette énergie excédentaire pour une utilisation ultérieure, en cas de besoin, en l'utilisant pour faire fonctionner un compresseur d'air. L'air comprimé sera ensuite injecté dans le grès contenant de l'eau salée.

Nous faisons quelque chose de similaire au barrage d'eau, où vous produisez de l'électricité parce que l'eau libère son énergie potentielle en s'écoulant vers le bas sur le barrage et en faisant tourner une turbine. Dans ce scénario, l'énergie cinétique de l'air comprimé est transférée à l'eau qui alimente une turbine puis un générateur. Lorsque l'énergie stockée est nécessaire, l'air sous pression monte à la surface et met sous pression un récipient d'eau pour faire fonctionner une turbine.

De plus, nous proposons de mettre des capteurs à la surface des puits existants afin de pouvoir également détecter, en temps réel, toute fuite d'hydrocarbures.

Parce que l'eau a une faible compressibilité, sa pression de formation stockée pourrait être, par exemple, de 3000 livres par pouce carré. Lorsque vous produisez à partir de cela pendant quelques jours, la pression chute très rapidement. Lorsqu'elle tombe à un certain niveau, disons 500 psi, le compresseur démarre automatiquement pour ramener la pression à 3 000 psi en injectant plus d'air.

En mesurant l'épaisseur et la superficie des dépôts des zones humides, nous connaissons le volume et pouvons calculer la quantité d'air que l'on peut stocker pour être converti en énergie. Nos calculs montrent que cela n'ajouterait que quelques centimes au coût de l'électricité.

Fiches techniques : Pourriez-vous expliquer un peu plus l'action entre l'air et l'eau ?

Professeur Ershaghi : C'est similaire à ce que nous faisons lorsque nous stockons du gaz naturel. Vous stockez du gaz naturel dans un réservoir de pétrole. Lorsque vous injectez du gaz, cela repousse le pétrole et lorsque vous produisez, vous produisez. C'est comme un yo-yo qui va et vient, d'avant en arrière :injecter puis produire.

Nous avons calculé que vous pouviez stocker 5 à 10 mégawatts par puits. Multipliez cela par les quelque 37 000 puits inutilisés en Californie, et vous avez des gigawatts. Ce serait une source majeure d'électricité. L'État pourrait devenir autosuffisant, il n'aurait plus à importer de carburant. Ce serait gagnant-gagnant car la production de pétrole et de gaz en Californie diminue, tandis que la demande d'électricité ne va nulle part.

Disons que je suis un exploitant de gisement de pétrole et que j'ai peut-être un millier de puits. Je sais peut-être qu'une certaine partie du réservoir a été épuisée. Ces puits ne pourraient plus produire suffisamment de pétrole pour les rendre économiquement viables. Il pourrait y avoir de 10 à 30 puits dans cette zone épuisée. Avec ceux-ci, vous construisez facilement une installation de 100 mégawatts.

La beauté de cette méthode est qu'elle pourrait être utilisée dans la plupart des régions des États-Unis - elle ne se limite pas aux zones productrices de pétrole.

Par exemple, à New York, même s'il n'y a pas de production pétrolière et gazière à grande échelle, il y a des gisements de sables aquatiques au-dessus du schiste dévonien, qui pourraient être utilisés. Dans n'importe quelle partie des États-Unis, vous verrez des aquifères salins. Il y a un million d'années, une grande partie des États-Unis était couverte de voies navigables, il y a donc maintenant des sédiments humides partout. Vous pourriez être dans un état qui n'a jamais produit une goutte de pétrole ou de gaz, mais il y aurait toujours ces couches humides sous terre. L'enquête géologique des États-Unis a des cartes qui vous montrent l'emplacement des dépôts souterrains de sables humides.

Fiches techniques : Vous avez mentionné qu'en Californie, ces sables contiennent de l'eau salée; doit-il être salin pour que cela fonctionne ?

Professeur Ershaghi : Avec la pénurie d'eau douce à laquelle nous sommes confrontés dans de nombreuses régions des États-Unis, il ne serait pas judicieux d'utiliser les ressources souterraines d'eau douce à cette fin. Cependant, si nous allons assez loin, toute eau que nous découvrons est susceptible d'être salée.

L'explication appelle une brève leçon de géologie. Si vous tracez la température de la Terre au cours des 300 derniers millions d'années, cela montre essentiellement que la température de la Terre était parfois très élevée et parfois très basse. Lorsqu'une grande partie de la surface de la terre était recouverte d'eau, elle traversait des périodes de gel et de dégel. Cela a progressivement détruit des zones de formations rocheuses et les matériaux détritiques se sont accumulés.

Les sédiments formés par l'érosion rocheuse se sont saturés d'eau de mer avec la montée des océans. C'est pourquoi les dépôts d'eau les plus profonds sont salins, tandis que l'eau douce dont on a désespérément besoin dans des endroits comme la Californie est beaucoup moins profonde et généralement remplie d'eau de pluie.

Comme vous le savez, des efforts ont été déployés au cours des deux dernières décennies pour le captage et la séquestration du carbone. L'idée était que si vous avez trop de dioxyde de carbone, vous le stockez simplement dans des formations géologiques souterraines. Mais il y a eu des inquiétudes concernant les fuites de dioxyde de carbone. Ainsi, dans notre concept de stockage d'énergie proposé, nous bénéficions également de cette expérience, car il existe de nombreuses recherches et modélisations concernant le CO₂ souterrain. séquestration. Notre situation est beaucoup plus simple parce que si vous stockez de l'air sous terre, même s'il fuit, peu importe - vous ajoutez simplement plus d'air à l'air, il n'y a pas de dioxyde de carbone, il n'y a pas de carburant toxique, c'est juste de l'air.

À l'heure actuelle, la raison pour laquelle les gens ne construisent pas d'énergies renouvelables aussi vite que nécessaire, c'est parce que l'économie ne semble pas bonne. Le fait est que la construction de ces installations coûte très cher et, à ce stade, vous n'utilisez pas chaque kilowatt généré, une partie importante de cette énergie pourrait simplement être gaspillée sans stockage à grande échelle.

Donc, si vous trouvez un moyen de stocker l'électricité et de l'utiliser quand vous en avez besoin, vous allez résoudre un problème économique majeur. Cela rendrait l'expansion des sources renouvelables beaucoup plus acceptable pour les investisseurs et la société dans son ensemble.

Fiches techniques : Êtes-vous en train de dire que vous utilisez une technologie existante, mais que vous l'appliquez d'une manière plus économique et utile ?

Professeur Ershaghi : Je pense que notre contribution est plutôt la suivante. Premièrement, c'est une technologie éprouvée, que les gens ont stocké de l'air dans des dômes de sel. Notre première contribution est que vous n'avez pas besoin d'un dôme de sel - tant que vous avez un aquifère salin, cela pourrait faire l'affaire. Deuxièmement, on a l'impression que cela coûte cher parce qu'il faut forer le puits. Mais nous avons montré que nous pouvions utiliser des puits existants destinés à l'abandon. C'est l'idée. Utilisez donc essentiellement les puits inutilisés, utilisez un aquifère salin et développez la technologie pour la rendre largement disponible, tout en réduisant la responsabilité des États et du public pour les coûts d'abandon des puits.

Fiches techniques : Qu'en est-il de l'énergie perdue lors du fonctionnement du compresseur ?

Professeur Ershaghi : Supposons que vous utilisez une source solaire de cent mégawatts. Au moment où vous prenez cette centaine de mégawatts et que vous l'utilisez pour produire de l'air comprimé, si vous regardez le bilan énergétique, bien sûr, vous perdez de l'énergie. Ainsi, vous n'aurez peut-être qu'une fraction des mégawatts disponibles.

Mais c'est mère nature. Le concept d'entropie est que l'énergie est toujours perdue dans tout processus où un travail est effectué. C'est un domaine de recherche :comment minimiser les pertes.

Ainsi, une fois que les 100 mégawatts sont convertis en air comprimé et qu'ils passent par le processus de stockage et sont renvoyés, vous n'aurez peut-être que 60 mégawatts utilisables. Mais il vaut mieux passer de 100 à 60 que de ne pas générer de puissance utile du tout.

Fiches techniques : Pouvez-vous décrire brièvement comment l'opération globale fonctionnerait.

Professeur Ershaghi : Dans l'usine de l'Alabama, à titre de comparaison, ils utilisent l'air de retour pour faire tourner le compresseur. Lorsque l'air revient, il doit être chauffé pour se dilater afin qu'ils puissent l'utiliser. Si vous faites cela, vous devez brûler du gaz naturel pour produire de la chaleur. Nous n'en avons pas besoin car nous utilisons un compresseur pour appliquer une pression sur l'eau. C'est la pression de l'eau qui actionne la turbine.

Fiches techniques : Comment l'air comprimé transfère-t-il son énergie à la turbine ?

Professeur Ershaghi : L'air comprimé renvoyé remonte à la surface en cas de besoin et pressurise l'eau dans un récipient vertical à haute pression. La pression de l'eau active et fait tourner la turbine. L'énergie cinétique pour générer l'électricité provient de la pression de l'air comprimé.

Fiches techniques : Quelles seraient les incitations économiques à construire ces systèmes ?

Professeur Ershaghi : Tout d'abord, nous n'avons pas à forer le puits et à passer par le processus d'autorisation. En Californie, la plupart des terres pétrolières et gazières sont des terres en fief. Si j'ai un titre de propriété sur un terrain en fief, cela signifie que je possède tout, de la surface jusqu'au centre de la terre. S'il s'avère qu'il y a un gisement de pétrole sous ma terre, je peux louer mes droits à une compagnie pétrolière. Cela prend généralement la forme d'un pourcentage du revenu de ce qui est produit chaque mois.

Les terres détenues par la plupart des compagnies pétrolières sont des terres en fief. Donc, si je suis un exploitant, qui possède plusieurs puits, dont certains sont économiquement improductifs, cela pourrait être une source de revenus. Si je convertis ces puits abandonnés en stockage, je pourrais facturer un service public pour le droit de les utiliser. L'opérateur aurait alors une source de revenu de ces puits non productifs. Pendant ce temps, les opérateurs éliminent ou reportent le coût d'abandon.

Cela pourrait également être une nouvelle source de revenus pour les propriétaires fonciers :louer leurs droits de sous-sol aux opérateurs de stockage.

Les services publics trouveraient cela intéressant, car ils pourraient réduire la quantité de pétrole et de gaz dont ils ont besoin pour produire de l'électricité.

Fiches techniques : Pourrait-il y avoir des perturbations souterraines, comme celles qui se sont produites avec la fracturation ?

Professeur Ershaghi : Je suis content que vous ayez posé cette question. Il y avait un rapport du Conseil national des ressources résumant la recherche sur la question de savoir si la fracturation a causé des tremblements de terre. Leurs conclusions étaient qu'il n'y avait aucune preuve que la pratique réelle de la fracturation hydraulique ait causé les tremblements. Ils ont conclu que les tremblements de terre mineurs étaient causés par des fluides résiduaires usés qui sont pompés dans des puits d'évacuation. L'ajout continu de ces fluides met le sable sous pression, modifiant ainsi les champs de contrainte souterrains.

Fiches techniques : Quelles sont vos prochaines étapes ?

Professeur Ershaghi : Nous aurons un projet de démonstration, qui sera financé soit par les services publics, soit par les compagnies pétrolières. Je m'attends à ce que nous puissions avoir un site d'ici l'automne prochain. Nous avons déjà identifié quelques sites qui seraient idéaux, au moins pour une démonstration. Cela pourrait coûter 22 millions de dollars pour une installation de production de 5 mégawatts, y compris des recherches supplémentaires sur l'interaction du pétrole et de l'eau. Nous allons également étudier de nouveaux matériaux, peut-être installer de nouveaux tubes, peut-être utiliser des composites, différents types de ciments. Notre équipe comprend des ingénieurs électriciens, des chercheurs en eaux souterraines, des hydrologues, des ingénieurs réservoir et des ingénieurs composites qui travailleront à l'optimisation du système. De plus, nous étudierons la caractérisation du site, non seulement pour la géologie appropriée, mais aussi pour la proximité du réseau électrique. Nous avons également l'intention d'appliquer les technologies numériques pour la surveillance des sites.

Une version modifiée de cette interview a été publiée dans le numéro de février 2021 de Tech Briefs.