米戦略石油備蓄の工学的背景

米国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、米国戦略石油備蓄（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。
• 敵対者による攻撃から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管することが特に困難なため、非常に難しい課題です。
• 石油供給が滞った際に、市場に迅速に供給できるよう、石油を速やかに放出すること。
• 維持コストを低く抑え、数十年持続すること。

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から始めましょう。

素朴な解決策：外部浮屋根タンク

［画像: オクラホマ州クッシングにあるエンブリッジ貯蔵タンクファームの、外階段付きの大きな貯蔵タンク］

エンブリッジ貯蔵タンクファーム、オクラホマ州クッシング、2010年4月。写真：roy.luck, CC BY 2.0

要件を見ると、ほとんどの人が最初に考えるであろうことは、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大規模に適用することでしょう。外部浮屋根タンク（EFRTs）は、石油を貯蔵するための一般的な解決策です。ほとんどのタンクは高さ約50フィート（約15メートル）、直径300フィート（約91メートル）に制限されています。これより大きいと、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 $V = \pi (150 \mathrm{ft})^2(50 \mathrm{ft})$、つまり $3,532,500 \mathrm{ft}^3$ となり、約63万バレルの石油に相当します。

戦略石油備蓄の満タン容量である7億1400万バレルの石油を貯蔵するには、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の最大容量（例：オクラホマ州クッシング）を使用すると、これらのタンクを設置するために約45,000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。これは基本的にワシントンD.C.の面積に相当し、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、攻撃に対して信じられないほど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は特に弱点があります。開放型浮屋根タンクのシール部分での落雷による火災が記録されていますので、意図的な着火源（破片、焼夷弾）は特に危険です。

タンクの地下設置

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これを行いました。1943年に建設されたこの施設には、掘削された火山岩の中に20基の巨大な鋼鉄ライニングされたコンクリートタンクが収容されていました。各タンクは直径約100フィート（約30メートル）、高さ250フィート（約76メートル）で、大型の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。周囲の岩盤が空爆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、数千人の作業員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年のドルで約8億2000万ドル）でした。

また、地下水保護が大きな課題となりました。2014年にはタンクから約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、海軍は施設からの燃料抜き取りと恒久的な閉鎖を余儀なくされました。

規模の問題もあります。7億1400万バレルに達するには、レッドヒル施設約119基分の容量と、実際に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：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？鍵となったのは、メキシコ湾沿いのテキサス州とルイジアナ州にある4つの地点の塩ドームを利用することでした。米国はこれらの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、合計で約7億1400万バレルの貯蔵容量を持つ60個の空洞をリストアップしています。

この解決策を可能にするいくつかの特性があります。

• 円筒形の空洞は、水を使用して掘削されます。技術者は塩ドームに穴を開け、真水を注入します。塩は水に溶け、その後ポンプで結果として生じるブライン（塩水）が除去され、石油貯蔵用の空洞が残ります。

• 塩は石油を封じ込め、小さな亀裂を密閉するのに役立ちます。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です。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、塩自体が空洞を鋼鉄とコンクリートのライニングなしで石油を封じ込めることができます。

• 石油は水に浮くため、空洞の底に水を汲み上げることで石油が押し出されます。空洞の底に真水が注入されると、石油は上方に押し出され、供給システムに入ります。

• ボーナスとして、その立地が市場への石油供給を助けます。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を考えると特に有利です。

この貯蔵ソリューションは比較的安価です。DOEの過去の資本コスト見積もりでは、空洞貯蔵容量1バレルあたり約$3.50であり、地上タンクの15〜18ドルと比較すると大幅に安価です。石油を地下深くに貯蔵することは、空爆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、引き出し中に注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。