An assessment of underground hydrogen storage: Transport, geochemistry, and bioactivity

Titel in Übersetzung: Eine Bewertung der unterirdischen Wasserstoffspeicherung: Transport, Geochemie und Bioaktivität

Neda Hassannayebi

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach großflächigen Speichern für Energie aus erneuerbaren Rohstoffen zugenommen. Solar- und Windkraftanlagen tragen zur Erzeugung von Gigawatt Strom bei, welcher jedoch häufig einen erheblichen Unterschied zum Bedarf des Stromnetzes aufweist. Wasserstoff ist ein effektiver und flexibler Energieträger, der durch die Umwandlung von erneuerbaren Energien erzeugt werden kann. Es gibt herkömmliche Mittel zum Speichern von Wasserstoff, wie beispielsweise Batterien; diese bieten jedoch nur eine begrenzte Speicherkapazität. Als Alternative können erschöpfte Erdgaslagerstätten als unterirdische Wasserstoffspeicher (UWS) mit einer enormen Speicherkapazität dienen. In dieser Arbeit wurden zwei Hauptthemen im Zusammenhang mit UWS in porösen Medien behandelt und untersucht. Das erste Thema untersucht und adressiert potenzielle Risiken im Zusammenhang mit Wasserstoffverlust aufgrund von Diffusionsprozessen und Reaktionen mit Mineralien und Sole. Dieser Teil wurde im Rahmen eines interdisziplinären Projekts „Underground Sun Storagee“ abgeschlossen, bei dem Wasserstoff in einer erschöpften Gaslagerstätte im oberösterreichischen Molasse-Becken gespeichert werden sollte. Basierend auf Feldaufzeichnungen wurde ein geologisches und ein Transportmodell für dieses Feld erstellt. Ein analytisches Diffusionsmodell wurde verwendet, um den Wasserstoffverlust während eines Speicherzykluses basierend auf der Ausbreitung der Wasserstoffplumen in das impermeable Deckgestein und die benachbarten Schichten abzuschätzen. Der Diffusionsverlust hängt vom Diffusionskoeffizienten und der dem Wasserstoff ausgesetzten Oberfläche ab. Aufgrund der Datenknappheit und unterschiedlicher Unsicherheiten wurden angemessene Annahmen und Vereinfachungen berücksichtigt. Zuletzt wurde ein geochemischer Modellierungsworkflow vorgestellt, um potenzielle geochemische Prozesse zu untersuchen und zu quantifizieren, die zu einem Wasserstoffverlust am Speicherort führen können. Die geochemischen Reaktionen wurden mit Gleichgewichts- und kinetischen Chargenmodellen bei Speicherdruck und -temperatur untersucht, um die kurz- und langfristigen Auswirkungen von Wasserstoff auf das Formationswasser und Mineralien zu untersuchen. Das zweite Hauptthema dieser Dissertation befasst sich mit einem weiteren Aspekt einer solchen Speicherung. Es stellt sich heraus, dass in-situ Bakterien, genannt Archea, im Reservoir Wasserstoff und CO2 metabolisieren und Erdgas produzieren können. Die Tatsache das Wasserstoff als Substrat für diese Mikroorganismen dient, führt zum Bakterienwachstum und verursacht Wasserstoffabbau. Die Frage wie Bakterien in porösen Medien wachsen und transportiert werden, ist nicht bekannt. In gleicher Weise gibt es Bedenken hinsichtlich der Bildung von Biofilmen, welche zu Injektionsproblemen führen. Die wichtigsten Erkenntnisse zum Bakterienwachstum und -transport im Porenraum wurden durch experimentelle und numerische Analyse erzielt. Darüber hinaus wurden basierend auf experimentellen Ergebnissen Empfehlungen für die zukünftige Forschung ausgegeben. Schließlich wird durch die Strömungssimulation auf den experimentell segmentierten Bildern der Einfluss des Bakterienwachstums auf die hydraulischen Eigenschaften des porösen Mediums sowie Änderungen im Strömungsfeld und die Beziehung zwischen Porosität und Permeabilitätsmodellierung quantifiziert. In dieser Dissertation wird versucht ein Beitrag zu Erkenntnissen zu leisten, indem verschiedene Aspekte kombiniert werden für die Bewertung der Speicherung und Umwandlung von Wasserstoff relevant sind. Das primäre Ziel war es neue Erkenntnisse und Konzepte zu schaffen und einzuführen, die verschiedene Disziplinen kombinieren, effektive Methoden zur Identifizierung der Potenziale und Risiken in solchen Speicherprojekten liefern und die Grundlage für zukünftige Experimente und Studien bilden.
Titel in ÜbersetzungEine Bewertung der unterirdischen Wasserstoffspeicherung: Transport, Geochemie und Bioaktivität
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Ott, Holger, Beurteiler A (intern)
  • Bakker, Ronald Jack, Beurteiler B (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • unterirdische Wasserstoffspeicherung
  • poröse Medien
  • Diffusion
  • geochemische Modellierung
  • Bakterienwachstum
  • Mikrofluidik
  • Bioprotokollierung
  • Porositäts-Permeabilitäts-Beziehung

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