Hydrogen energy storage in porous geological formations - Investigation of storage dimensioning, induced effects and monitoring methods

Pfeiffer, Wolf Tilmann ORCID

Power production from renewable sources is fluctuating, governed by the availability of the sources such as wind or solar radiation. Increasing the share of renewable sources can therefore lead to shortages in power production. Large-scale energy storage in porous geological formations, e.g. using hydrogen (H2), produced during periods of ample power supply, could help mitigate offsets between supply and demand. In this thesis, hydrogen energy storage in porous geological formations is investigated using numerical scenario simulations with emphases on the quantification of storage dimensions, on induced hydraulic and thermal effects and on geophysical monitoring techniques. For this end, a coupling approach for the scientific open source simulator OpenGeoSys and the proprietary reservoir simulator ECLIPSE is developed. The coupled simulator combines the multiphase-multicomponent flow and transport of ECLIPSE with the heat and geochemical reactive transport of OpenGeoSys. Furthermore, the Joule-Thomson effect is implemented in OpenGeoSys for gases consisting of N2, O2, H2, CO2 and CH4. For the assessment of potential storage dimensions and induced hydraulic and thermal effects, a hypothetical storage operation is simulated at an existing structure in northern Germany. 25 realistic and heterogeneous parameter distributions are generated using a facies modelling approach. Additionally, the applicability of using seismic waveform inversion (FWI), electrical resistivity tomography (ERT) and gravity monitoring methods are investigated for H2 storage operations.

Die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien unterliegt Schwankungen bedingt durch die variable Verfügbarkeit der Energieträger. Durch einen hohen Anteil von erneuerbaren Energien an der Gesamtproduktion können so Engpässe in der Stromproduktion entstehen, welche durch Energiespeicher ausgeglichen werden müssen. Hierfür kann Wasserstoff, mit Hilfe von Überkapazitäten synthetisiert, als chemischer Energieträger innerhalb von porösen geologischen Formationen gespeichert werden. In der vorliegenden Arbeit werden potentielle Dimensionen einer Wasserstoffspeicherung, die induzierten hydraulischen und thermischen Effekte sowie die Anwendung von geophysikalischen Monitoringmethoden mit Hilfe von numerischen Szenariensimulation untersucht. Hierfür wurde zunächst eine Modellkopplung für den wissenschaftlichen Open-Source Simulator OpenGeoSys und den proprietären Reservoir-Simulator ECLIPSE (© Schlumberger) entwickelt. Der gekoppelte Simulator kombiniert die Mehrphasen-Mehrkomponenten Strömungssimulation von ECLIPSE mit dem Wärme- und Reaktiven-Transport-Modell von OpenGeoSys. Zusätzlich wurde das Wärmetransportmodell von OpenGeoSys durch den Joule-Thomson-Effekt für Gase, bestehend aus N2, O2, H2, CO2 und CH4, erweitert. Für die Abschätzung von möglichen Speicherdimensionen sowie der induzierten hydraulischen und thermischen Effekte wurde ein hypothetischer Speicherbetrieb, basierend auf einer existierenden geologischen Struktur in Norddeutschland, simuliert. Um die Variabilität der Verteilung geologischer Parameter abzubilden, wurden mit Hilfe eines Faziesmodells 25 realistische und gleich wahrscheinliche Parameterverteilungen erstellt. Des Weiteren wird in der vorliegenden Arbeit die Anwendbarkeit von seismischer Wellenform Inversion (FWI), Geoelektrik (ERT) und Gravimetrie für ein Monitoring eines H2-Speichers untersucht.

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Pfeiffer, Wolf: Hydrogen energy storage in porous geological formations - Investigation of storage dimensioning, induced effects and monitoring methods. 2017.

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