In spite of the large number of research works on carbon capture and sequestration (CCS), the migration and behaviour of CO2 in the subsurface (i. e. strata below the earth's surface) still needs further understanding and investigations with the aim of encouraging the governmental policy makers to adopt CCS technology as one of the most viable means to tackle the global warming threats. In this research work, a series of numerical simulations has been carried out using STOMP-CO2 simulation code to determine the flow behaviour and ultimate fate of the injected supercritical carbon dioxide (scCO2) into saline aquifers in medium terms of storage (i. e. few thousand years). The characteristics of the employed simulator, including the mathematical algorithm, governing equations, equations of states and phase equilibria calculations are explained in details.

Les émissions de CO2 dans l'atmosphère sont reconnues comme ayant un effet significatif sur le réchauffement climatique. Le stockage géologique de CO2 est largement considéré comme une approche essentielle pour réduire l'impact de telles émissions sur l'environnement. De plus, injecter du dioxyde de carbone dans les veines de charbon remplies de méthane présent naturellement facilite la récupération de ce méthane, un processus connu sous le nom de récupération assistée du méthane des veines de charbon (ECBM en anglais). Mais le gonflement de la matrice de charbon induite par l'adsorption préférentielle de dioxyde de carbone par rapport au méthane conduit à la fermeture du système de cleats (un ensemble de petites fractures naturelles) du réservoir et donc à une perte d'injectivité. Cette thèse de doctorat est consacrée à l'étude de comment cet injectivité évolue en présence de fluides. Nous dérivons deux modèles poromécaniques à double porosité pour une veine de charbon saturée par un liquide pur. Les équations constitutives obtenues permettent de mieux comprendre et modéliser le lien entre injectivité de la veine de charbon et gonflement du charbon induit par l'adsorption. Pour les deux modèles, on considère l'espace poreux du réservoir comme divisé en les cleats macroporeuses et les pores de la matrice de charbon. Les deux modèles diffèrent dans la manière dont l'adsorption de fluide est prise en compte : le premier modèle est limité à une adsorption surfacique, tandis que le deuxième modèle peut être appliqué à l'adsorption dans un milieu possédant un réseau poreux générique, et donc dans un milieu microporeux comme le charbon, pour lequel l'adsorption se déroule principalement par remplissage de micropores. Le second modèle est calibré sur deux charbons avec des propriétés de sorption et de gonflement différentes. Nous effectuons alors des simulations à différentes échelles (du Volume Élémentaire Représentatif, de l'échantillon de charbon, la veine de charbon). En particulier, nous validons notre modèle sur des données expérimentales de variations de perméabilité de charbon induites par l'adsorption. Nous effectuons aussi des simulations de veines dont le méthane serait produit (un processus connu sous le nom de CBM en anglais) ou de veines sans méthane dans lesquelles du CO2 serait injecté. Nous étudions l'effet de différents paramètres tels que les conditions aux limites, la compressibilité de la matrice de charbon, ou la cinétique de transfert de liquide entre les cleats et la matrice de charbon. Dans une dernière partie, le modèle dérivé est étendu aux cas pour lesquels le charbon est en présence de mélanges fluides binaires tels que les mélanges de méthane et le dioxyde de carbone. Nous calibrons entièrement calibré ce modèle étendu sur des données disponibles obtenues expérimentalement et par simulations moléculaires. Des calculs sont alors effectués à l'échelle d'un Volume Élémentaire Représentatif pour prévoir comment sa porosité et sa perméabilité varient en présence de mélanges fluides de méthane et de dioxyde de carbone / CO2 emissions into the atmosphere are recognized to have a significant effect on global warming. Geological storage of CO2 is widely regarded as an essential approach to reduce the impact of such emissions on the environment. Moreover, injecting carbon dioxide in coal bed methane reservoirs facilitates the recovery of the methane naturally present, a process known as enhanced coal bed methane recovery (ECBM). But the swelling of the coal matrix induced by the preferential adsorption by coal of carbon dioxide over the methane in place leads to a closure of the cleat system (a set of small natural fractures) of the reservoir and therefore to a loss of injectivity. This PhD thesis is dedicated to a study of how this injectivity evolves in presence of fluids. We derive two poromechanical dual-porosity models for a coal bed reservoir saturated by a pure fluid. The resulting constitutive equations enable to better understand and model the link between the injectivity of a coal seam and the adsorption-induced swelling of coal. For both models, the pore space of the reservoir is considered to be divided into the macroporous cleats and the pores of the coal matrix. The two models differ by how adsorption of fluid is taken into account: the first model is restricted to surface adsorption, while the second model can be applied for adsorption in a medium with a generic pore size distribution and thus in a microporous medium such as coal, in which adsorption mostly occurs by micropore filling. The latter model is calibrated on two coals with different sorption and swelling properties. We then perform simulations at various scales (Representative Elementary Volume, coal sample, coal seam). In particular, we validate our model on experimental data of adsorption-induced variations of permeability of coal. We also perform simulations of seams from which methane would be produced (CBM) or of methane-free seams into which CO2 would be injected. We study the effect of various parameters such as boundary conditions, compressibility of the coal matrix, or kinetics of transfer of fluid between cleats and coal matrix. In a final part, the derived model is extended to cases for which coal is in presence of fluid binary mixtures such as mixtures of methane and carbon dioxide. We fully calibrate this extended model on available data obtained experimentally and by molecular simulations. Calculations are then performed at the scale of a Representative Elementary Volume in order to predict how its porosity and its permeability vary in presence of fluid mixtures of methane and carbon dioxide

Cette étude porte sur l'impact des fuites de CO2 provenant d'un réservoir géologique de stockage de CO2 sur un aquifère d'eau douce. Elle se distingue des autres études, réalisées sur le même thème, par la recherche et l'application, depuis l'échelle du laboratoire jusqu'à celle d'un site pilote, de nouveaux outils de monitoring et d'approche isotopique destinés à la détection précoce de fuite de CO2. Afin de tester ces outils, des échantillons solides et liquides provenant de l'aquifèrestratégique de l'Albien du Bassin de Paris ont été prélevés, analysés et utilisés pour une étude expérimentale en batch. Cette expérience permet de contraindre et de comprendre précisément les interactions eau-roche-CO2 et les réponses isotopiques. Une application grandeur nature en Norvège a permis de mettre en place ce programme isotopique et de suivre l'évolution de la composition isotopique en distinguant les processus et phénomènes naturels et les processus reliés à l'injection de CO2. Ces deux cas d'étude appliqués au contexte de détection de fuite de CO2 ont permis de choisir les outils isotopiques les meilleurs comme indicateurs indirects de la présence de CO2, dans le cas particulier des systèmes étudiés. L'efficience de ces outils isotopiques réside dans l'enregistrement de la trace laissée par la présence de CO2 au cours d'interactions eau/roche/CO2. L'utilisation de tels outils nécessite une méthodologie rigoureuse abordée dans ce manuscrit et nécessite d'être adaptée aux spécificités des sites envisagés. / This study deals with the impact of CO2 leakages out of geological storage into overlying freshwater aquifers. Compared to other existing studies, the major added value of this study lies, on the one hand, in the research of new monitoring tools and isotopic approach in the context of CCS aiming at early and sensitive detection of CO2 leakage and, on the other hand, in the application of these tools at the (limited) laboratory scale as well as at field scale. In order to test these tools, solid and liquid materials were sampled out of the major strategic drinking water Albian aquifer in the Paris Basin (France). We have then precisely characterized and used them within a batch experiment. This experiment yields interesting results which help understanding and constraining precisely the water-rock-CO2 interactions as well as the isotopic responses. A real scale application of the method was then performed in Norway. It was an opportunity to develop this isotopic program and to track the isotopic evolution composition, while differentiating the natural processes and the system response tothe CO2 injection. When applied to the detection of CO2 leakage context, the two case studies open the way for choosing the “best” isotopic tools as indirect indicators of CO2 presence in these specific systems. The efficiency of these isotopic tools comes from the recording of the CO2 footprint all along the water-rock-CO2 interactions. Using such tools imposes a rigorous methodology, which is tackled inthis manuscript. Furthermore, future application will require adapting to the specifics of a proposed site.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR CGS µLab, qui vise à appréhender lesmécanismes fondamentaux impliqués dans les procédés de stockage profond du CO2 à partir des laboratoiresgéologiques sur puce (GLoCs – geological labs on chip) pour reproduire les conditions depression et de température des milieux géologiques profonds. Au-delà de la compréhension expérimentale,l’apport des techniques de modélisations numériques apparaît essentiel afin de définir des modèlespermettant de prévoir notamment les capacités maximales de stockage à partir des caractéristiques duréservoir (porosité, perméabilité, température, pression, géochimie), et du procédé d’injection (débit,composition). Dans ce contexte, ce travail a principalement deux objectifs : (i) associer l’imagerie expérimentaleet la modélisation numérique pour simuler des écoulements non réactifs dans des GLoCset (ii) suivre expérimentalement les évolutions structurelles d’un milieu poreux 3D soumis à un écoulementréactif. Notre démarche comporte deux parties pour répondre à ces objectifs. Dans la premièrepartie, nous avons effectué la modélisation 3D des perméabilités des GLoCs par la prise de moyennevolumique. Pour ce faire, nous avons d’abord vérifié le comportement darcéen d’un GLoC en fonctionde son nombre de rangs de plots en étudiant un problème de diffusion sur un maillage emboîté quenous avons implémenté à partir d’une image binaire du GLoC pour réduire le temps de calcul. Puis,nous avons mis à jour notre code de perméabilité, qui résout le problème de fermeture de l’écoulement,en calculant analytiquement en 3D le critère de stabilité qui prend en compte l’anisotropie dela géométrie des GLoCs. Nous avons ensuite traité les images numériques 2D des GLoCs avant deprocéder à la génération de leurs volumes élémentaires représentatifs (VERs) 3D. Nous avons enfinsimulé les perméabilités des GLoCs avant de les confronter aux résultats expérimentaux et à ceuxobtenus avec le logiciel PHOENICS. Dans la deuxième partie, nous avons développé un montage expérimentalpermettant de recréer des milieux poreux réactifs en 3D au sein d’un canal microfluidique(lit fixe de microparticules de carbonates de calcium – CaCO3). Grâce à la laminographie X de la ligneID19 de l’ESRF, nous avons pu observer sur des coupes d’image 2D reconstruites les phénomènes dedissolution lors de l’injection successive de volumes constants de solution hors équilibre. Cette preuvede concept a ouvert de nouvelles perspectives d’utilisation de cette méthodologie pour acquérir desdonnées cinétiques sur des phénomènes de fronts réactifs dans les poreux. / This thesis work is included within the ANR CGS µLab projet, which aims to understand thefundamental mechanisms involved in the deep storage processes of CO2 from on-chip geological laboratories(GLoCs - geological labs on chip) to reproduce the pressure and temperature conditionsof deep geological environments. Besides experimental understanding, the contribution of numericalmodeling approaches appears essential in order to define models allowing to predict in particularthe maximum storage capacities based on the characteristics of the reservoirs (porosity, permeability,temperature, pressure, geochemistry), and the injection process (flow rate, composition). In thiscontext, this work has two main goals : (i) to associate experimental imaging and numerical modelingto simulate non-reactive flows in model porous media on chip ; and (ii) to follow experimentally thestructural evolution of a 3D porous medium undergoing a reactive flow. In order to address to thesegoals, the approach we have proposed is divided into two parts. In the first part, we carried out the3D modeling of the permeabilities of GLoCs by taking volume averaging. To do this, we first verifiedthe behavior of a GLoC according to its number of plots rows by studying a diffusion problem ona nested mesh that we have implemented from a GLoC binary image to reduce computation time.Then, we updated our permeability code, which solves the closure problem of flow, by analyticallycalculating in 3D the stability criterion that takes into account the anisotropy of GLoC geometry. Wethen processed the 2D digital images of the GLoCs before proceeding with the generation of their3D representative elementary volumes. Finally, we have simulated the permeabilities of GLoCs beforecomparing them with the experimental results and those obtained with the PHOENICS software. In asecond part, we have developed an experimental set-up to recreate 3D reactive porous media within amicrofluidic channel (fixed packed bed of calcium carbonate - CaCO3 microparticles). Using the X-raylaminography of the ESRF line ID19, we have observed on reconstructed 2D images the dissolutionphenomena occurring during the successive injection of constant volumes of non-equilibrium solution.This proof of concept has opened new possibilities for using this methodology to acquire kinetic dataon reactive front phenomena in porous media.

Saline aquifers and depleted hydrocarbon fields situated beneath the North Sea are currently being proposed as storage repositories for anthropogenic CO2 captured from point source emitters in the UK and mainland Europe. Two experimental sites are already operating successfully offshore Norway: Sleipner since 1996 and Snøhvit since 2007, collectively storing several million tonnes of CO2/year in the sub-surface. Despite the apparent success of these current projects, one of the major public and scientific concerns is the ability of storage sites to retain CO2 on the millennial timescales required for CO2 plume stabilisation and dissolution. Some areas of the North Sea are also known to contain palaeo-gas seepage pathways within overburden sediments that overlie deeper hydrocarbon reservoirs (e.g. Witch Ground Graben). These areas either need to be avoided for CO2 storage or rigorously assessed in terms of leakage risk. Since the Sleipner storage site lies within such a province, this thesis delivers a detailed evaluation of the Nordland Group overburden and a critical assessment of its long-term sealing capability for CO2. From interpretation and detailed mapping of a baseline 3D seismic dataset (acquired before CO2 injection operations commenced in 1996), we have identified numerous palaeo-migration pathways and high-amplitude seismic anomalies within the Nordland Group overburden sediments deposited above the Sleipner CO2 storage site. We attributed these features to thermogenic or biogenic gas migration, accumulation and bio-degradation over geological time. We also mapped a complex network of sand-filled, glacial channels and tunnel valleys distributed within a few hundred metres below seabed and highlighted their significance as potential fluid migration networks and/or secondary storage containment for leaking CO2. Of further significance, we confirmed that these overburden features also create spatial density variations that impact on the accuracy of seismic time-depth conversions, resulting in the probability of topographic distortions being propagated into seismic interpretations and models. To the best of our knowledge no such detailed mapping of the Nordland Group overburden at Sleipner has been undertaken previously. To determine whether the top layer of the CO2 plume at Sleipner might encounter these relict pathways as it ascends and migrates laterally beneath the caprock, we evaluated the critical column heights required for a CO2 accumulation to enter such a pathway under a range of storage conditions for a CH4/CO2/brine system; assuming that these pathways currently contain methane gas. Risking scenarios were based on a range of phase saturation, pressure, temperature, density, viscosity, interfacial tension and wettability conditions likely to be encountered at depths commensurate with the caprock at Sleipner. We concluded that given certain conditions at the caprock, CO2 could leak more easily into palaeo-migration pathways than CH4 (i.e. at lower entry pressures and therefore smaller column heights), assuming that brine densities and, most importantly, pore radii have not changed significantly over geological time (i.e. no cementation or dissolution has taken place). To further understand the dynamic significance of these palaeo-migration pathways, channels and tunnel valleys, including their ability to form inter-connected leakage/migration networks, we constructed a series of high-resolution 3D models of the Sleipner storage site and overburden, then used stochastic basin modelling and simulation techniques to investigate the processes involved during the introduction of CO2 into the storage site over a prolonged time period. Models were populated with geological, stratigraphic and structural information derived from our seismic interpretation. Flow simulations were calibrated to published data and matched to the present-day plume distribution. The absence of observational reservoir pressure and temperature data from Sleipner introduces significant uncertainty to model outcomes with respect to CO2 density and column height estimates and to surmount this difficulty we constrained the caprock temperature to CO2 density estimates obtained from the most recent gravity data observations at Sleipner. We concluded that the overburden heterogeneity is significant and palaeo-migration pathways, highpermeability channels and tunnel valleys at Sleipner may become potential migration pathways for CO2 as the plume continues to spread laterally over the coming decade, but the possible storage response is difficult to quantify given the absence of sufficient overburden rock property information and accurate pressure and temperature data for the storage site. The overall conclusion from this work is that insufficient information was collected within the Sleipner area prior to storage site development and too many significant studies which should have been performed as a pre-requisite (e.g. obtaining a caprock sample for laboratory testing of potential seal capacity), were actually performed some years after CO2 injection operations had already commenced. The pressure and temperature conditions at the caprock depth for the Sleipner storage site are also marginal in terms of maintaining CO2 above critical point conditions in dense phase and thus maximising storage efficiency. Most significantly, no rigorous overburden mapping and risking was performed for Sleipner (such as the work described in this thesis), thus the fact that no leakage has been detected at Sleipner is more due to good fortune than following best practices. Hopefully, our work has highlighted these key deficiencies so that future CO2 storage site feasibility and development studies will be performed more diligently.

Carbon Dioxide (CO2) emissions from streams are a significant component of the global carbon cycle.Terrestrial export of CO2 through runoff is increasingly recognized as a major source of CO2 in boreal headwater streams. However, the spatial and temporal distribution of soil water CO2 within theterrestrial landscape remains poorly quantified, contributing to large uncertainties about the origin of CO2 in headwater streams. The riparian zone (i.e. the area with fine sediments and organic rich soils closest to the stream) is accepted as a main contributor of organic carbon to streams, but its importanceas a source of CO2 is less evident. Here I evaluate the riparian zone as a main source by quantifying the contribution of lateral CO2 export from the riparian and hillslope zones to a headwater stream in a Swedish boreal catchment. Hourly measurements of CO2 concentration, conductivity, soil temperature and water table levels were taken in the riparian zone and the hillslope from June 2014 to October 2015. The riparian zone accounted for 58-89 % (August 2014 and March respectively) of the total terrestrial CO2 export from the slope to the stream. The hillslope, in turn, became a progressively larger source of CO2 to the stream during high flow events. To identify the drivers behind these zone-dependent and seasonal patterns in CO2 export, the CO2 production dissolved in the groundwater (groundwater- absorbed carbon) was estimated by taking the temporarily stored CO2  into account. The highest groundwater-absorbed carbon was observed during April and May (5.0 and 7.1 g C-CO2 m-2 month-1 respectively) which is the period with the highest discharge due to snow melt and the initiation of spring production. As such, conventional methods (gas chambers and the gradient method) may underestimate the soil respiration up to 50% during periods of high flow, as they exclude groundwater-absorbed carbon. CO2 consumption was observed in September 2014 and October 2015 (-0.2 and -0.7 g C-CO2 m-2 month-1 respectively) and may be explained by a major amount of the soil respiration being emitted instead of diluted in the groundwater during periods of low groundwater levels. It can be concludedthat, regardless of season, the riparian zone is a major source of CO2 to the headwater stream. / En signifikant mängd koldioxid (CO2) är lagrad i skog och marken. Marken i barrskogsregionernaförvarar en signifikant mängd CO2 där det partiella trycket av CO2 varierar mellan ~10 000 – 50 000 ppm i jämförelse med atmosfären (400 ppm). Mättnaden av CO2 gör att mycket avdunstar tillbaka till atmosfären. Dock absorberas en del CO2 av grundvattnet; vilket resulterar i en naturlig transport av CO2 vidare till ytvattnen där det kapillära nätverket av bäckar är största recipienten. Det är fortfarande oklart hur transporten av CO2 är distribuerad i ett vattenavrinningsområde vilket medför brister i förståelsen av en viktig processväg som kan komma att spela en större roll i framtidens kolkretslopp på grund av den globala uppvärmningen. Därför är en kvantifiering av olika områdens bidrag av CO2 till bäckarna nödvändig. Två betydande zoner i ett vattenavrinningsområde som troligen bidrar olika är: the riparian zone som är närmast bäcken och består av fina sediment med hög organisk halt och, the hillslope som är resterande område och består av grovkorniga jordar med låg organisk halt. Den förstnämnda misstänks transportera mer CO2 via grundvattnet på grund av dess närhet till bäcken, höga halter av CO2 och höga vattenmättnad men detta är ännu inte verifierat. Jag evaluerar the riparian zone som en viktig källa till CO2 i ett vattenavrinningsområde genom att kvantifiera transporten av CO2 från de två zonerna. För att förklara varför transporten varierar presenterar jag en ny modell (GVR) som beräknar den månatliga fluktuationen av den del av CO2-produktionen som absorberas i grundvattnet i the riparian zone. Mätningar av data utfördes i Västrabäcken, ett mindre vattenavrinningsområde i ett större vid namn Krycklan, i norra Sverige. En transekt av tre mätstationer (i bäcken, the riparian zone och the hillslope) installerades i den förmodade grundvattenströmningsriktningen. Resultaten visar på en hög produktion av CO2 under vårfloden (maj) då en hög grundvattenyta troligen absorberar en signifikant mängd CO2. Detta kan betyda att jordrespiration under våren underskattas då dagens mätmetoder är begränsade till mätningar i jorden av CO2 ovan grundvattenytan. Fortsatta studier rekommenderas där GVR-modellen och andra mätmetoder utförs samtidigt för att vidare utröna den kvantitativa underskattningen under perioder med hög grundvattenyta (speciellt under våren). Bidraget från the riparian zone till den totala laterala transporten av CO2 till bäcken under ett år varierar mellan 58-89 % och det månatliga transportmönstret kunde förklaras med resultaten från GVR-modellen. Resultaten verifierar att oberoende av säsong så är the riparian zone den huvudsakliga laterala koltransporten från landvegetationen; medan the hillslope procentuellt bidrar med mer CO2 under höga grundvattenflöden.

Les activités humaines dans la subsurface se développent rapidement (stockage de déchets,nouvelles techniques minières, stockage à haute fréquence de l’énergie), alors que dans le même temps les attentes du public et des autorités s’intensifient. L’évaluation de chaque étape de ces opérations souterraines repose sur des études détaillées de la sûreté et des impacts environnementaux.Elles reposent sur des simulateurs élaborés et sur de la modélisation multiphysique. Avec leur approche orientée processus, les simulations en transport réactifs proposent une méthode efficace pour comprendre et prévoir le comportement de ces systèmes complexes, à différentes échelles de temps et d’espace.Le but de ce travail est d’intégrer la résolution de l’écoulement diphasique compressible dans le cadre de codes de transport réactifs à l’aide d’une méthode de séparation d’opérateurs. Un module multiphasique a été créé dans le code de transport réactif HYTEC. Une nouvelle approche a ensuite été développée pour coupler écoulement multicomposant multiphasique compressible, description de propriétés thermo-dynamiques complexes pour les fluides, avec des codes de transport réactif. La méthode a été intégrée dans HYTEC. Des cas de validation sont proposés, puis des exemples d’application pour la simulation du stockage souterrain de CO2 et des impuretés associées. / Human activity in the subsurface has rapidly been expanding and diversifying (waste disposal, new mining technologies, high-frequency storage of energy), while the public and regulatory expectations keep growing. The assessment of each step of underground operations requires careful safety and environmental impact evaluations. They rely on elaborate simulators and multiphysics modeling. With its process-based approach, reactive transport simulation provides an effective way to understand and predict the behavior of such complex systems at different time and spatial scale.This work aims at incorporating a compressible multiphase flow into conventional reactive transport framework by an operator splitting approach. A multiphase flow module is developed in the HYTEC reactive transport software. A new approach is then developed to fully couple multiphase multicomponent compressible flow, the complex thermodynamic description of the fluid properties, with existing reactive transport codes. The method is implemented in HYTEC. Some validation is provided, before application to the simulation of underground storage of CO2 and associated impurities.

L'objectif principal de la thèse est de définir comment l'incertitude peut être prise en compte dans leprocessus d'évaluation des risques pour le stockage de CO2 et de quantifier, à l'aide de modèles numériques,les scénarios de fuite par migration latérale et à travers la couverture. Les scénarios choisis sont quantifiéspar l'approche de modélisation de système pour laquelle des modèles numériques prédictifs ad-hoc sontdéveloppés. Une étude probabiliste de propagation d'incertitude paramétrique par un méta-modèle depolynômes de chaos est réalisée. La problématique de la prise en compte de la variabilité spatiale comme unesource d'incertitude est éclairée et une étude comparative entre représentations homogène et hétérogène de laperméabilité est fournie. / The main goal of the thesis is to define how the uncertainty can be accounted for in the process of riskassessment for CO2 storage and to quantify by means of numerical models the scenarii of leakage by lateralmigration and through the caprock. The chosen scenarii are quantified using the system modeling approachfor which ad-hoc predictive numerical models are developed. A probabilistic parametric uncertaintypropagation study using polynomial chaos expansion is performed. Matters of spatial variability are alsodiscussed and a comparison between homogeneous and heterogeneous representations of permeability isprovided.

Diese Dissertation befasst sich mit quantenchemischen Untersuchungen der CO2-Insertion in Si-N-Bindungen von Aminosilanen und der Zuverlässigkeit quantenchemischer Berechnungsmethoden. Es wurden verschiedene Verbindungsklassen, wie Piperazinderivate, Di- und Monoethanolaminderivate, einfache und spirozyklische Aminosilane verwendet. Zunächst wurde ein Benchmarking der verwendeten Berechnungsmethoden durchgeführt, um die für diese Forschung am besten geeigneten Methoden herauszufinden. Quantenchemische Berechnungen wurden genutzt, um die Reaktionen und die möglichen Prozesse aus der Sicht der Thermodynamik zu bewerten. Desweiteren wurde der Mechanismus der CO2-Insertion untersucht. Zu diesem Zweck wurden Geometrieoptimierungen der Übergangszustände durchgeführt, wobei die Aminosilan-CO2-Komplexe mit unterschiedlichem C-N-Abstand berücksichtigt wurden, um den Weg der Reaktanten zum Übergangszustand zu finden. Zusätzlich wurden NBO-Berechnungen durchgeführt, um den Reaktionsmechanismus zu entschlüsseln. Die berechneten IR- und NMR-Spektren wurden mit gemessenen Spektren verglichen und ihre Zuverlässigkeit wurde in der Arbeit bewertet.