Por U.S. Department of Energy – 11 de abril de 2022 (Cleantechnica)
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Chad Augustine y sus colegas del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) ven una oportunidad donde otros simplemente ven un agujero en el suelo.
“No puede ser cualquier agujero en el suelo”, explicó Augustine, investigador del grupo de investigación geotérmica de NREL.
La idea es utilizar pozos de petróleo y gas agotados como reservorio para el almacenamiento de gas natural comprimido. Según sea necesario, el gas puede liberarse para hacer girar una turbina y generar electricidad. El embalse se recarga utilizando el exceso de electricidad de la red y el ciclo se repite, proporcionando una solución potencial para la creciente demanda de almacenamiento de energía.
El modelado por computadora realizado por científicos de NREL y la Escuela de Minas de Colorado confirmó la viabilidad de la idea.
La geología limita otros almacenamientos subterráneos
Se ha propuesto e implementado una idea similar, utilizar cavernas de sal hechas por el hombre como un lugar para almacenar aire comprimido, pero solo en dos lugares del mundo. La tecnología está limitada por la geografía porque requiere formaciones de domos de sal geológica.
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La propuesta de utilizar pozos agotados de petróleo y gas natural aprovecha la proliferación de pozos horizontales, fracturados hidráulicamente o “fracturados”. La técnica, que la Administración de Información de Energía calcula que representa aproximadamente el 75% de todos los pozos recién perforados en los Estados Unidos, perfora hacia abajo y luego atraviesa la roca. Luego se bombea agua al pozo a alta presión para fracturar el esquisto y liberar el petróleo y el gas natural atrapados.
David Young, un científico sénior de NREL cuya experiencia radica en la tecnología solar, tuvo un momento de “eureka” al pensar en la idea de utilizar viejos pozos de petróleo y gas para el almacenamiento.
“Estaba duchándome y se me ocurrió la idea”, dijo Young. “Así es como me involucré. Estaba pensando en estos agujeros de un millón de dólares en el suelo. Había tantos de ellos en Front Range aquí y pensé que tenía que haber algo que pudiéramos hacer con esas cosas”.
Los investigadores de NREL proponen usar sitios de fracking, que ya no están en uso, como un lugar para almacenar gas natural comprimido
Young llevó su idea a Agustín. Junto con Henry Johnston, un veterano de la industria del petróleo y el gas que trabajó en NREL durante seis años antes de jubilarse a fines de enero, examinaron la idea en detalle. Publicaron dos artículos que detallan su trabajo a fines del año pasado y obtuvieron una patente que protege el proceso.
Los pozos horizontales se han convertido en el estándar de la industria, con múltiples pozos perforados desde una sola plataforma. El volumen producido supera a los pozos verticales, pero la cantidad de petróleo y gas natural producido por los pozos horizontales disminuye en un corto período de tiempo. Los pozos activos pueden volverse inactivos rápidamente.
“Estos pozos horizontales se agotan rápidamente”, dijo Johnston, quien trabajó en Shell Oil Co. durante 31 años antes de unirse a NREL. “Pueden pasar de 10 millones de pies cuadrados por día el primer año a 3 millones de pies cuadrados por día el segundo año, por lo que pueden perder mucho de su producción antes de tiempo”.
Eventualmente, los pozos se agotan tanto que no vale la pena mantenerlos en funcionamiento. Estos pozos pueden quedar inactivos o tapados con cemento. Los investigadores de NREL y Mines determinaron que los pozos destapados podrían servir como depósitos de gas natural comprimido.
Los pozos destapados pueden inyectarse con gas natural comprimido, según determinaron los investigadores de NREL y Mines después de realizar múltiples rondas de simulaciones por computadora. Escribiendo en el Journal of Energy Resources Technology , los científicos predijeron que la tecnología funcionaría para el almacenamiento de energía tanto a corto como a largo plazo. Los investigadores de NREL siguieron ese artículo de noviembre con un artículo en iScience un mes después que analizaba los costos potenciales.
Augustine dijo que el siguiente paso consiste en establecer un proyecto piloto para llevar el modelado por computadora al mundo real. Más allá de eso queda el tema de las líneas de transmisión.
“La otra cosa que necesitamos es un buen estudio de cuántos pozos nuevos existen que serían adecuados para esta tecnología”, dijo.
La cantidad de pozos horizontales activos ha aumentado de aproximadamente 9,000 en 2000 a más de un cuarto de millón en 2017.
La Oficina de Tecnologías Geotérmicas del Departamento de Energía, que financió la investigación realizada por Augustine y sus colegas, está invirtiendo por separado en el posible uso de pozos inactivos para la energía geotérmica.
Idea tocada por primera vez en el aire
Los investigadores de NREL inicialmente consideraron inyectar aire comprimido en los pozos viejos. Augustine tomó esa idea a través del programa Energy I-Corps del Departamento de Energía en 2016. El programa ayuda a los investigadores a determinar el mercado potencial para su tecnología. Lo que Agustín descubrió fue que agregar aire a un pozo de gas natural conlleva el riesgo de provocar una explosión. Además, “cuando vuelva a salir, va a tener gas natural mezclado. ¿Qué haces con eso?”
Eligieron el gas natural por su disponibilidad y compatibilidad con el yacimiento.
“Queremos comenzar el programa con gas natural porque es fácil y creo que las personas que son propietarias de los pozos se unirán mucho más fácilmente”, dijo Young. “Eventualmente, a medida que prueba la idea, cambia gradualmente a un gas diferente para hacer funcionar el sistema. CO
El uso de aire comprimido como almacenamiento de energía requiere pasos adicionales, incluido el enfriamiento del aire después de la etapa de compresión y el precalentamiento antes de liberarlo. Los proyectos que utilizan aire comprimido también pueden tardar años en construirse y costar cientos de millones de dólares. Al aprovechar los pozos existentes, se puede instalar un sitio piloto que usa gas natural por unos pocos millones de dólares en unos meses, estimaron los científicos.
Sus cálculos muestran que, dependiendo de la temperatura y la presión en el pozo, el uso de gas natural comprimido para producir electricidad puede generar desde cientos de kilovatios hasta casi un megavatio de energía.
La tecnología, denominada REFRAES (para pozos FRAcked REutilizados para almacenamiento de energía), se basa en un proceso de cuatro fases. En el primer paso, el gas se inyecta en el yacimiento a una presión de fondo de pozo de flujo constante para almacenar energía. Luego se cierra el pozo para que el gas no pueda escapar. Luego, el gas se produce desde el yacimiento a una presión constante para generar electricidad. Finalmente, existe un período de recuperación durante el cual se vuelve a cerrar el pozo.
Después del período de recuperación, se repite el ciclo de almacenamiento.
A corto plazo, el proceso puede proporcionar seis horas de electricidad. Para necesidades más largas o estacionales, los investigadores calculan que puede ofrecer 90 días de electricidad.
“El almacenamiento de energía estacional es muy, muy limitado”, dijo Young. “Solo hay unas pocas tecnologías que pueden hacer eso. La hidroeléctrica bombeada sería una de ellas. Esta tecnología representa una posibilidad de poder tener un almacenamiento a muy largo plazo, por lo que estamos entusiasmados con esa parte”.
La energía hidroeléctrica de bombeo, en la que el agua que fluye cuesta abajo genera electricidad, puede devolver entre el 70 % y el 85 % de la energía almacenada. Los investigadores de NREL calcularon la eficiencia de REFRAES en alrededor del 40 % al 70 %. El costo nivelado de almacenamiento usando gas natural podría ser tan bajo como de $80 a $270 por megavatio-hora, mientras que para la energía hidroeléctrica bombeada es de $225.
Otra ventaja que tiene la tecnología REFRAES sobre la hidroeléctrica de bombeo y los dos embalses que requiere es su capacidad de expansión. Con múltiples pozos perforados en un solo sitio, el método de almacenamiento de gas natural puede crecer según sea necesario conectando pozos adicionales, dijo Augustine. Si un solo pozo puede almacenar 500 kilovatios de energía, por ejemplo, agregar cada pozo posterior aumenta la capacidad de almacenamiento disponible.
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