Numerical and Analytical Modeling of Gas Mixing and Bio-Reactive Transport during Underground Hydrogen Storage

Hagemann, Birger

In this thesis the major differences between underground hydrogen storage and the conventional storage of natural gas are lined out to be bio-reactive and gas mixing phenomena. A new mathematical model was developed to describe the coupling between two-phase flow and microbial populations which consume hydrogen for their metabolism. Different analytical and numerical techniques were applied to investigate the storage of hydrogen in the geological subsurface. An analytical solution was derived for gravity-driven multi-component two-phase flow in heterogeneous porous media. Oscillating scenarios, similar to Turing instability, were detected. Storage scenarios were simulated including a field scale demonstration in a realistic geological model.

Im Zusammenhang mit der Energiewende sind große Mengen an Speicherkapazität erforderlich, um die stark fluktuierende Energieerzeugung durch Wind- und Solarkraftwerke zu integrieren. Die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie in der Form von Wasserstoff ist eine der technischen Möglichkeiten. Die Technologie der Untergrundwasserstoffspeicherung, wobei Wasserstoff in unterirdischen Gesteinsformationen, ähnlich wie bei der Speicherung von Erdgas, gespeichert wird, ist derzeit ein Forschungsschwerpunkt mehrerer europäischer Länder. Wasserstoff hat eine sehr geringe Dichte und Viskosität. Folglich wird eine hohe Tendenz für eine instabile Verdängung erwartet, einschließlich einer gravitationsbedingten Segregation und der Bildung von viskosen Fingern. Zusätzlich können biochemische Reaktionen eine wichtige Rolle in Untergrundwasserstoffspeichern spielen. Die Tatsache, dass Wasserstoff ein geeignetes Substrat für viele anaerobe mikrobielle Spezies ist, regt ihr Wachstum an und führt zu einer Umsetzung des Wasserstoffs. Insbesondere kann die Aktivität von methanogenen Archaeen zu drastischen Veränderungen in der Zusammensetzung des Gases führen, wie es bei einigen ehemaligen Stadtgasspeichern beobachtet wurde. Um das hydrodynamische und biochemische Verhalten in Untergrundwasserstoffspeichern zu untersuchen, wurden unterschiedliche analytische und numerische Methoden angewandt. Die schwerkraftgetriebene Verdrängung, wenn Wasserstoff am Boden einer wassergesättigten Lagerstätte injiziert wird, wurde analytisch modelliert. Die analytische Lösung ist durch Kombination der Methode der Charakteristiken und einer grafischen Konstruktion hergeleitet worden. Die exakte Aufstiegsgeschwindigkeit wurde für verschiedene geschichtete Lagerstätten und für Fluidphasen aus zwei und drei Komponenten bestimmt. Vergleiche mit der numerischen Lösung werden ebenfalls gezeigt. Daüber hinaus wurde ein mathematisches Modell für den bioreaktiven Transport in Untergrundwasserstoffspeichern entwickelt. Das Modell ist auf der Kontinuumsskala formuliert und koppelt die Mehrkomponenten-Zweiphasenströmung mit mikrobiellem Wachstum und biochemischen Reaktionen innerhalb des porösen Mediums. Die Stabilität des mathematischen Modells ist untersucht worden, indem es auf ein Paar von Differentialgleichungen reduziert wurde. Basierend auf den Ergebnissen wurden numerische Simulationen unter Grenzzyklus und Turing-Bedingungen durchgeführt, die unterschiedliche oszillierende Regime zeigen. Das mathematische Modell ist numerisch auf der Basis von DuMuX, einem Open-Source-Code für die Simulation derMehrkomponenten-Mehrphasenströmung und Transports in porösen Medien, implementiert worden. Verschiedene Speicherszenarien wurden simuliert, die die Errichtung des Speichers und die anschließende zyklische Injektion und Produktion über mehrere Jahre umfassen. Es ist bewiesen worden, dass die geringe Dichte und Viskosität von Wasserstoff die Verdrängung von Wasser instabiler macht als bei der Methaninjektion. Darüber hinaus zeigte sich, dass mechanische Dispersion und biochemische Reaktionen einen wichtigen Einfluss in Vorhersagestudien haben. Signifikante Energieverluste können durch biochemische Umwandlungen des gespeicherten Gases auftreten.

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Hagemann, Birger: Numerical and Analytical Modeling of Gas Mixing and Bio-Reactive Transport during Underground Hydrogen Storage. 2018.

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