Interfacial phenomena and mass transfer at elevated pressures
Die Kenntnis der Benetzbarkeit, des Grenzflächen- und Phasenverhaltens sowie des Stofftransports über Grenzflächen in mehrphasigen Systemen ist ein Schlüsselfaktor für die erfolgreiche Anwendung der unterirdischen Gasspeicherung von CO2 und H2 im Rahmen der Energiewende. In der Literatur besteht ein unklarer Zusammenhang zwischen Stofftransport und Grenzflächenverhalten in diesem Zusammenhang sowie große Uneinigkeit zwischen den Forschern hinsichtlich der Materialkompatibilität herkömmlicher, in der Öl- und Gasindustrie verwendeter Ausbaumaterialien mit H2. Mit dem Ziel, diese Wissenslücke zu schließen, wurde in dieser Arbeit das Benetzungsverhalten von Modellsystemen aus H2, CH4, Portlandzement, Baustahl und NaCl-Sole sowie das Grenzflächenverhalten und der Stoffübergang von DampfFlüssig- und Dampf-Flüssig-Flüssig-Systemen aus CO2, CH4, n-Butanol, n-Dodekan und H2O systematisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Solekonzentration zu einer erhöhten Grenzflächenspannung führt, wodurch der Einfluss der Temperatur auf die Grenzflächenspannung verhindert wird. Der Kontaktwinkel von Sole+H2+Zement deutet auf ein H2O-benetztes System hin, während es bei erhöhtem Druck weniger H2O-benetzt wird. Das System H2O-Stahl erwies sich unter einer CH4-Atmosphäre als gas-benetzend, während es unter einer H2-Atmosphäre H2O-benetzt war, Tendenzen, die bei erhöhtem Druck deutlicher werden. Die Grenzflächenspannung zwischen Feststoff und Dampf wurde erfolgreich für die Systeme Zement-H2, Stahl-H2 und Stahl-CH4 berechnet, wobei für alle untersuchten Systeme, mit Ausnahme des Systems Stahl+H2, eine Abnahme bei erhöhtem Druck festgestellt wurde. Es wurde festgestellt, dass n-Butanol kompetitiv an der wässrigen Grenzfläche adsorbiert und die Gaskomponenten verdrängt, dass n-Dodekan zusammen mit den Gaskomponenten an der wässrigen Grenzfläche adsorbiert und dass H2O keine Adsorption an der organischdampfförmigen Grenzfläche zeigt. Es scheint, dass die Diffusivitäten von CO2 und CH4 über die in dieser Arbeit untersuchten Flüssig-Dampf- und Flüssig-Flüssig-Grenzflächen unabhängig vom Wert der Grenzflächenspannung sind. Diese Arbeit beweist, dass das Grenzflächenverhalten von CH4 und H2 im Zusammenhang mit unterirdischen Energiesystemen nicht dasselbe ist, d. h. Zement und Stahl, die bei der unterirdischen CH4-Förderung als Fertigstellungsmaterial verwendet werden, können nicht direkt für H2 verwendet werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Diffusionsfähigkeit von CO2 und CH4 über Flüssigkeitsgrenzflächen bei erhöhtem Druck mit dem Grad der molekularen Assoziation an der Grenzfläche und deren Auswirkung auf den Stoffübergangswiderstand zusammenhängt.
The knowledge on the wettability, interfacial and phase behavior, as well as the mass transport across interfaces in multiphase systems is a key factor for the successful application of underground gas storage for CO2 and H2 in the context of the energy transition. There is an unclear relation in the literature between mass transfer and interfacial behavior in this context, as well as much disagreement between researchers regarding the material compatibility of traditional completions material used in the oil and gas industry against H2. Aiming to cover this knowledge gap, this work systematically studies the wetting behavior of model systems comprising H2, CH4, Portland cement, structural steel, and NaCl brines, as well as the interfacial behavior and mass transfer of vapor-liquid and vapor-liquid-liquid systems comprising CO2, CH4, n-butanol, n-dodecane, and H2O. It was found that increasing the brine concentration results in an increased interfacial tension, hindering the influence of temperature on the interfacial tension. The brine+H2+cement contact angle indicates a H2O-wet system, whereas at elevated pressures it becomes less H2O-wet. The H2O-steel system was found to be gas-wet under a CH4 atmosphere, while under an H2 atmosphere it was H2O-wet, tendencies that become more evident at elevated pressures. The solid-vapor interfacial tension was successfully calculated for the cement-H2, steel-H2, and steel-CH4 systems, finding a decrease at elevated pressures for all studied systems, except for the steel+H2 system. It was found that n-butanol adsorbs competitively at the aqueous interface displacing the gas components, n-dodecane co-adsorbs along with the gas components at the aqueous interface, and that H2O shows no adsorption at the organic-vapor interface. It appears that the diffusivities of CO2 and CH4 across the liquid-vapor and liquid-liquid interfaces studied in this work are independent of the interfacial tension value. This work proves that the interfacial behavior of CH4 and H2 is not the same in the context of subsurface energy systems, i.e., cement and steel used as completion material in the CH4 underground handling cannot be directly used for H2. In addition, it was found that the CO2 and CH4 diffusivity across fluid interfaces at elevated pressures is related to the degree of the molecular association at the interface and its effect on the mass transfer resistance.
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