米戦略石油備蓄の工学的背景

最近私が学んだ最も興味深いことの一つは、米戦略石油備蓄（SPR）の工学的背景です。SPRが満たすべき主な要件は以下の通りです。 石油供給の混乱に対応するため、数億バレルの原油を長期間貯蔵すること。 敵対者からの攻撃に対して石油を安全に保つこと。これは、石油が燃えやすい性質を持つため、大量の石油を安全に保つことが特に難しい課題です。 供給混乱時に石油を迅速に市場に届けられるように放出すること。 維持費を低く抑え、数十年持続させること。 実際の解決策は、多くの優れた工学的解決策と同様に、信じられないほどエレガントでシンプルです。しかし、それについて話す前に、どのようにしてこの問題を解決するか考えてみましょう。 単純な解決策：外部浮屋根タンク 写真：roy.luck, CC BY 2.0。 要件を見ると、ほとんどの人がまず考えるのは、商業的に石油を貯蔵するために行われていることをそのままスケールアップすることでしょう。外部浮屋根タンク（EFRT）は、石油貯蔵の一般的な解決策です。ほとんどのタンクは高さ約15メートル、直径約90メートルに制限されています。それ以上大きくなると、基礎や排水システムに工学的な問題が生じ始めます。これにより、体積は約10万立方メートル（約63万バレル）になります。 7億1400万バレル（SPRの総容量）を貯蔵するには、これらのタンクが約1,130基必要になります。標準的な商業用石油貯蔵施設（例：オクラホマ州カッシング）の容量を使用すると、これらのタンクを設置するために約4万5千エーカー（約182平方キロメートル）の土地が必要になります。これはワシントンD.C.の面積にほぼ匹敵し、大量の土地を取得する必要があることを意味します。 しかし、タンクを使用する最大の欠点は、攻撃に対して非常に脆弱であることです。損傷は流出や火災を引き起こす可能性があり、浮屋根とタンク本体の間のシール部分に特に脆弱性があります。開放型浮屋根タンクのシール部分では落雷による火災が記録されており、意図的な着火源（破片、焼夷弾）は特に危険となり得ます。 石油を地下に貯蔵する 次に、石油を地下に貯蔵することを考えるかもしれません。海軍は真珠湾近くのレッドヒル施設で実際に行いました。1943年に建設されたこの施設は、掘削された火山岩の中に、巨大な鋼鉄ライニングされたコンクリートタンク20基を収容していました。各タンクは直径約30メートル、高さ約76メートルで、大型EFRTと同等の体積でした。合計で、この施設は600万バレルの燃料を収容していました。周囲の岩盤が空襲からの保護を提供しており、施設建設の主な理由でした。しかし、これは大規模な建設プロジェクトであり、数千人の労働者がトンネルを掘削し、鋼鉄ライナーを取り付け、コンクリートを打設する必要がありました。当初の建設費用は4,220万ドル（2026年換算で約8億2000万ドル）でした。 さらに、地下水保護が大きな課題となりました。2014年にタンクから約27,000ガロン（約10万リットル）の燃料が流出しました。2021年には別の流出事故が発生し、海軍の飲料水システムが汚染され、海軍は施設から燃料を抜き取り、永久閉鎖せざるを得なくなりました。 規模の問題もあります。7億1400万バレルを貯蔵するには、レッドヒルサイズの施設約119基分の容量と、これらのタンクを地下に設置するための十分なスペースが必要になります。これは数百億ドル（政府にとっても非常に高額）の費用がかかる、とてつもない建設プロジェクトとなるでしょう。 実際の解決策：岩塩空洞 では、米国はこの問題をどのように解決したのでしょうか？その鍵は、メキシコ湾沿いのテキサス州とルイジアナ州にある4つの地点の岩塩ドームを利用することでした。米国はこれらの岩塩ドームの地下に巨大な空洞を造成し、それぞれ約1000万バレル（レッドヒル施設全体の容量よりも多い）を貯蔵できるようにしました。エネルギー省（DOE）は現在、合計貯蔵容量約7億1400万バレルの60基の空洞をリストアップしています。 この方法が機能するいくつかの特性があります。 円筒形の空洞は水を使って掘削されます。技術者は岩塩ドームに穴を開け、真水を注入します。塩は水に溶け、その後ポンプで生成されたブライン（塩水）が除去され、石油を貯蔵できる空洞が残ります。 塩は石油を閉じ込め、小さな亀裂を封じるのに役立ちます。SPRの空洞を取り囲む岩塩は浸透率が非常に低く、流体が通過しにくい性質を持っています。また、石油とも反応しません。地下の巨大な圧力下で、塩はゆっくりと変形し、小さな亀裂を閉じるのに役立ちます。したがって、空洞を鋼鉄やコンクリートでライニングすることなく、塩自体が石油を閉じ込めることができます。 石油は水に浮くため、空洞の底に水を注入すると石油が押し出されます。空洞の底に真水を注入すると、石油は上方に押し出され、供給システムに送られます。 さらに、立地が市場への石油供給に役立ちます。メキシコ湾岸は、備蓄を製油所、パイプライン、海上ターミナルに近接させており、供給混乱時の石油供給という目的に特に役立ちます。 この貯蔵方法は比較的安価です。DOEの過去の資本コスト見積もりによると、空洞貯蔵容量1バレルあたり約3.50ドルであり、地上タンクの15〜18ドルと比較して安価です。石油を地下深くに貯蔵することは、空襲からの保護にも役立ちます。 しかし、トレードオフも存在します。空洞の造成には水源とブラインの処理方法が必要です。また、引き出し中に導入される真水は追加の塩を溶解し、空洞を徐々に拡大させます。これにより、繰り返し利用が制限され、空洞の監視とメンテナンスが非常に重要になります。井戸、ポンプ、パイプラインも継続的な維持管理が必要なため、頻繁な引き出しはインフラを劣化させる可能性があります。