Storage of gases in deep geological structures$dspatial and temporal hydrogeochemical processes evaluated and predicted by the development and application of numerical modeling

Hemme, Christina GND

Storage of carbon dioxide and hydrogen in depleted hydrocarbon reservoirs and natural gas storage in salt caverns trigger hydrogeochemical processes which can lead to a loss of the stored gas, a change in the gas composition, and a loss of the sealing capacities of the cap rock. In this study, these different hydrogeochemical processes will be identified, quantified by 1D and 3D reactive mass transport models, and predicted in terms of their spatial-temporal development based on i) equilibrium thermodynamics, ii) kinetic reactions for sulfate reduction and methanogenesis, and iii) diffusive mass transport. The modeling codes used are PHREEQC and PHAST, both provided by the US Geological Survey. In these models, hydrogeochemical processes, like gas–water–rock interactions under given pressure and temperature conditions induced by the storage of gases in deep geological structures, are simulated. A potential risk arises from the dissolution of mineral phases in the cap rock that can lead to an increased porosity and, therefore, to a decrease in the sealing capacity. Under specific pressure and temperature conditions, bacterial conversion of the stored gases can lead to a loss of the stored energy. Sulfate-reducing bacteria use the stored and dissolved gas (methane and/or hydrogen) to reduce available sulfate-ions in the aqueous solutions (SO42-(aq)) to sulfide-sulfur—to produce energy for growth. The modeling results allow the identification of storage conditions that ensure safe underground gas storage. Furthermore, the modeling results help to identify the factors that influence the spatial and temporal development of gas loss and quantify their effects. Hydrogeochemical modeling provides an efficient tool for safe and productive underground gas storage in deep geological structures.

Bei der Speicherung von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in ausgeförderten Erdöl- und Erdgaslagerstätten und von Erdgas in Salzkavernen treten vielfältige hydrogeochemische Prozesse auf, die zum Verlust der Gase, zu Veränderungen der Gaszusammensetzung oder zu Problemen in der Abdichtung führen können. Diese hydrogeochemischen Prozesse werden in der vorliegenden Arbeit identifiziert, mit reaktiven 1D- und 3D-Stofftransportmodellen quantifiziert und mit ihrer räumlich-zeitlichen Entwicklung abgebildet – auf der Grundlage i) chemisch-thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten, ii) der Gesetzmäßigkeiten der Reaktionskinetik der bakteriellen Sulfat-Reduktion und Methanogenese und iii) der Gesetzmäßigkeiten des diffusiven Stofftransports. Die verwendeten Modellierungsprogramme sind PHREEQC und PHAST, die beide vom Geologischen Dienst der USA zur Verfügung gestellt werden. In den Modellen werden hydrogeochemische Prozesse wie die Gas-Wasser-Gesteins Reaktionen unter gegebenen Druck- und Temperaturverhältnissen simuliert, die durch die Einspeicherung von Gasen im tiefen Untergrund ausgelöst werden. Ein mögliches Risiko entsteht durch die Auflösung von Mineralphasen in den abdichtenden Gesteinsschichten, die zu einer erhöhten Porosität und damit zu einer Verminderung der Abdichtung führt. Unter bestimmten hydrogeochemischen und Druck- und Temperaturbedingungen kann es durch Bakterien zu einer Umwandlung der gespeicherten Gase und damit zum Verlust der gespeicherten Energie kommen. Dabei nutzen Sulfat-reduzierende Bakterien das gespeicherte und gelöste Gas (Methan und/oder Wasserstoff), um vorhandene Sulfat-Ionen in den wässrigen Lösungen (SO42-(aq)) zu Sulfid-Schwefel zu reduzieren – und damit Energie für ihre Lebensprozesse zu gewinnen. Die Modellierungsergebnisse erlauben es, Bedingungen zu ermitteln, die eine sichere Speicherung der Gase gewährleisten. Zudem können anhand der Modellierungsergebnisse diejenigen Faktoren identifiziert und deren Wirkungen quantifiziert werden, die auf die räumlich-zeitliche Entwicklung der Gasverluste einwirken. Mit der Hilfe solcher hydrogeochemischen Modellierungen kann die Speicherung von Gasen im tiefen Untergrund im Hinblick auf Sicherheit und Produktivität optimiert werden.

Inhalt

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Hemme, Christina: Storage of gases in deep geological structures$dspatial and temporal hydrogeochemical processes evaluated and predicted by the development and application of numerical modeling. 2019.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export